Tính toán lưu lượng nước thấm vào hố móng khi thi công các công trình dạng tuyến ven sông và bờ biển

TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG NƯỚC THẤM VÀO HỐ MÓNG KHI THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH DẠNG TUYẾN VEN SÔNG VÀ BỜ BIỂN caLculating penetration flow INTO THE FOUNDATION WORKS along river bank and sea coasts NGÔ VĂN DŨNG Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Quá trình xây dựng các công trình ven sông, ven biển cao trình đáy nền móng nằm dưới mực nước ngầm nơi có điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn rất phức tạp. Việc xây dựng công trình đòi hỏi hố móng luôn được khô ráo. Bài báo này trình bày một vài phương pháp xác định lưu lượng nước thấm vào hố móng khi xây dựng các công trình ven sông & bờ biển, nhằm giúp cho những người thi công được chủ động trong vấn để chọn lựa thiết bị tiêu nước, cũng như bảo đảm cho công tác thi công được an toàn. ABSTRACT The process of building constructions along river banks and sea coasts of which the foundation is below underground water with particular geological and hydrographical conditions is very complicated. The work requires that foundation be always in dry condition. This article introduces some method of calculating penetration flow into foundation of the constructions along river banks and sea coasts in order to assist builders in selecting the water draining facilities as well as ensuring safety during the implementation. 1. Giới thiệu Khi xây dựng công trình ven sông và bờ biển chúng ta thường gặp nền đất đá phong hoá, bồi tích có cấu tạo địa chất rất phức tạp, đặc biệt là những công trình sát sông hoặc bờ biển. Hơn nữa các công trình đều có phần móng công trình nằm dưới mặt đất tự nhiên, thậm chí dưới mực nước sông. Khi đào móng để xây dựng phần móng chúng ta thường gặp nước thấm vào từ phía bờ và phía sông làm ướt át hố móng ảnh hưởng lớn đến công tác thi công công trình. Một số loại công trình ven sông, biển chúng ta thường gặp như sau: - Công trình ngầm tiêu thoát nước, công trình thông tin liên lạc. - Công trình có dạng tuyến như kè tường chắn. - Công trình đường ống cấp nước, xăng dầu. - Công trình dạng tuyến bố trí vuông góc hoặc bố trí chếch với bờ sông, bờ biển. - Công trình đường ven sông biển và một số loại công trình khác… Từ thực tế thi công căn cứ vào đặc điểm của từng loại công trình mà người ta chọn lựa các mô hình tính toán và biện pháp tiêu nước hố móng hợp lý nhằm khắc phục những bất lợi do nước thấm gây nên với chi phí hợp lý và đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật. Bài báo này đưa một vài phương pháp tính toán lưu lượng nước thấm các công trình dạng tuyến ven bờ sông biển mà quá trình thi công, nhiều nhà thầu gặp rất nhiều khó khăn lúng túng trong khi xây dựng phần móng. Ở đây chúng tôi tiến hành xác định các thông số dòng thấm chảy vào hố móng cho một đoạn công trình tiêu biểu trên bằng ba phương pháp: Phương pháp giải tích cổ điển, phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm tính toán Geoslope để từ đó đưa ra được những kết luận và giải pháp đề xuất kỹ thuật tốt nhất, giúp cho những người thi công tham khảo trong quá trình xây dựng các công trình dạng tuyến ven bờ sông và bờ biển. 2. Phần tính toán lưu lượng nước thấm chảy vào hố móng 2.1. Mô tả Quá trình chuyển động của nước ngầm vào hố móng gồm các nguồn chủ yếu là: - Phần nước thấm từ bờ chảy vào hố móng : Q1 - Phần nước thấm từ bờ sông thấm qua mái hố móng và đê quây : Q2 - Phần nước thấm từ đáy hố móng trồi lên - Phần nước mưa trên mặt bằng hố móng và khu vực xung quanh : Q3 : Qm Tổng lưu lượng cần làm khô hố móng xác định bằng công thức: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Qm Trong đó: Q1, Q2, Q, 3, Qm: Phân tích ở trên Qk: Lưu lượng thấm ngoài chảy vào do những nguyên nhân khác 2.2. Sử dụng phương pháp giải tích với hố móng dài song song với bờ sông (1) Trong đó: k1 = k2 =hệ số thấm bình quan gia quyền q0 - lượng nước đơn vị từ đáy móng phun trồi lên F - diện tích bề mặt đáy móng Qm- lượng nước mưa bổ sung Hi - các giá trị cột nước gây thấm mi - chiều dày các tầng thấm tương ứng. ki - hệ số thấm tương ứng với tầng thấm i Kết quả tính toán từ các thông số mô hình được lưu lượng thấm tổng cộng Q (m3/h) 2.3. Sử dụng phương pháp PTHH để tính thấm ổn định trong môi trường bão hoà có xét đến lượng cấp nước vào ra Phương trình cơ bản dòng thấm vận động ổn định không gian ba chiều: (2) Trong đó: h - cột áp thuỷ lực trong tầng chứa nước kx, ky, kz - hệ số thấm theo phương x, y, z Qk - lượng nước bên ngoài cấp vào hoặc ra. Để tìm nghiệm phương trình (2) sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (viết tắt là PP PTHH). Theo phương pháp này miền tính toán được rời rạc hóa chia ra nhiều miền nhỏ. Mỗi miền nhỏ được xem là 1 phần tử và hàm xấp xỉ được tìm trên từng phần tử và từ đó việc giải các bài toán được biểu diễn bằng các phương trình đạo hàm riêng, nên bài toán rất thích hợp với điều kiện thực tế khi miền tính toán phức tạp với nhiều đặc trưng hình học, điều kiện biên khác nhau v.v... Quá trình thực hiện các lời giải của PP PTHH nhờ có sự trợ giúp của máy tính điện tử cho kết quả gần đúng với điều kiện thực tế. Ta có giá trị hàm xấp xỉ gần đúng của cột áp thuỷ lực xác định bằng biểu thức: (3) Trong đó: he - Giá trị gần đúng cột áp thuỷ lực trong phạm vi phân tử e - Hàm dạng nút i trong phân tử e n - số nút phần tử e hi - Giá trị cột nước chưa biết tại nút i của phân tử e Dùng phương pháp PTHH Galerkin dạng yếu ta có: (4) Trong đó: : Hệ số thấm của phân tử e theo phương x, y, z. Trong phương pháp Galerkin chúng ta chọn hàm trọng số cho mỗi nút trong phân tử đáp ứng được hàm nội suy cho nút đó . Các số hạng 1, 2, 3, 4 của phương trình (4) được xác định như sau: - Số hạng đầu tiên: (5) Trong đó: l là cosin chỉ phương vector pháp tuyến hướng ra ngoài tại biên. Tương tự cho số hạng thứ 2, thứ 3 ta có: (5) (6) - Số hạng thứ 4 xác định như sau: (7) Biểu diễn dạng ma trận cho mỗi phân tử V(e) của miền tính toán V như sau: (8) Trong đó: (9) Biểu diễn phương trình (9) dạng gọn hệ ma trận cho mỗi phần tử. Và đối với toàn miền V ta có hệ thống phương trình: (10) Đây là bài toán thường rất gặp trong thực tế, với các điều kiện biên cụ thể nghiệm phương trình đạo hàm riêng (10)cho ta tìm được là cột nước thấm tại các nút phần tử trong toàn miền tính toán V. Trường hợp xét cho bài toán thấm ổn định trong môi trường bão hòa không xét đến lượng nước cấp vào, ra từ phương trình (9) biểu diễn đơn giản hơn ta có. (11) Xét ví dụ tính toán các đặc trưng thấm khi thi công hố móng công trình ven sông. Sử dụng phương pháp thuỷ lực & PTHH giải bài toán thấm vào hố móng khi thi công công trình ven sông nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Geoslop, kết quả thể hiện ví dụ ứng dụng sau: 3. Ví dụ ứng dụng Xét ví dụ tính toán các đặc trưng thấm khi thi công hố móng công trình ven sông. Sử dụng phương pháp thuỷ lực & PTHH giải bài toán thấm vào hố móng khi thi công công trình ven sông nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Geoslop, kết quả thể hiện trong các tiêu đề sau: 3.1. Mô tả công trình Công trình kè bờ Tây sông Hàn dài gần 8 km có lộ trình từ cầu Tuyên Sơn Đà Nẵng tới Cầu Đỏ có mặt cắt ngang tuyến kè với hình ảnh & biện pháp thi công kè như sau: Hình 1- Hình ảnh & mặt cắt ngang tuyến kè và đê quây Xét nghiên cứu một đoạn công trình tiêu biểu từ K6+100 - K6+150 có các thông số địa chất như sau: - Lớp 1: có bề dày bình quân 4m hệ số thấm k = 6,4-e-4 m/s - Lớp 2: có bề dày bình quân từ 4 - 5m hệ số thấm k = 1,6-e-3 m/s - Lớp 3: có bề dày bình quân từ 3 - 4,2m hệ số thấm k = 2,7-e-3 m/s - Đê quây được đắp có hệ số thấm k =1,35- e-4 m/s Mô tả kết cấu công trình và điều kiện thi công: - Từ tuyến kè ra phía sông sử dụng hệ thống đê quây đắp bao quanh phạm vi đoạn công trình thi công. - Từ tuyến kè vào phía bờ sông móng có mái chọn m = 1,5 - 2 với cấu trúc thiết kế như trên tiến hành tính toán 2 phương pháp sau: - Sử dụng công thức cổ điển phương pháp giải tích áp dụng đối với bài toán thấm có tầng thấm vô hạn không đối xứng. - Áp dụng phần mềm Geoslope để xác định các đặc trưng dòng thấm. 3.2. Áp dụng phương pháp phương pháp giải tích Mô hình tính Hình 2- Mô hình tính Từ công thức (1) ta có: Hệ số thấm bình quân xem dòng thấm chuyển động vào hố móng theo phương ngang Lưu lượng tổng cộng chảy vào hố móng có xét đến lượng nước rỉ ra từ đáy móng với loại cát hạt nhỏ qo = 0,25 m3/h/m2 , Qm = 0 từ đó tính được: Q = 5,35m3/h/m 3.3. Sử dụng phần mềm Geoslope để xác định các đặc trưng dòng thấm Hình 1 - Hệ thống lưới PTHH Hình 2- Lưu lượng tính toán tại các mặt cắt Hình 3 - Hệ thống đường dòng đường thế Hình 4- Phạm vi vùng thấm kiểm tra Hình 5 - Trường lưu tốc thấm Hình 6 - Kết quả kiểm tra tại vùng nguy hiểm Kết quả tính toán tại vị trí kiểm tra Kết quả lưu lượng thấm vào hố móng có giá trị Qth = 4.81m3/h./m Cột nước do áp tại các nút phần tử, lưu tốc theo phương x,y & lưu lượng thấm tại các mặt cắt nghiên cứu. 4. KẾT LUẬN Từ kết quả tính toán ở trên ta rút ra kết luận sau: 1. Kết quả tính thấm bị phụ thuộc vào thiết kế hình dạng hố móng vì từ đó có được sơ đồ tính thực với thực tế, ngoài ra còn phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, phương pháp tính toán và các điều kiện biên của môi trường thấm v.v... 2. Phương pháp giải tích cổ điển cho kết quả tính toán thiên lớn và chỉ thích hợp cho một vài dạng bài toán đơn giản, qui mô hố móng bé, trị số hệ số thấm xác định theo phương pháp bình quân gia quyền nên chưa phản ánh đúng thực tế bài toán. Đối với những hố móng lớn, kết quả tính toán bằng phương pháp PTHH sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao, vì cho được các thông số dòng thấm sát với thực tế... 3. PP-PTHH là một sản phẩm và đồng thời là công cụ chủ lực mạnh là việc giải các bài toán được biểu diễn bằng các phương trình đạo hàm riêng. Quá trình thực hiện các lời giải của PP PTHH có sự trợ giúp của máy tính sẽ cho kết quả tương đối phù hợp với điều kiện thực tế, nghiệm phương trình thu được, đủ tin cậy giúp cho các nhà thiết kế, thi công hoạch định đúng phương án tốt nhất. 4. Sử dụng phần mềm thương mại Geoslope cho được kết quả tính toán nhanh. Có thể xác định được các đặc trưng dòng thấm tại bất kỳ điểm nào của môi trường tính thấm. Tuy nhiên đối với các bài toán dòng thấm không tuân theo định luật Darcy như môi trường thấm không bão hoà thì phải lựa chọn một phương pháp tính toán khác thích hợp thì mới cho được kết quả tính toán chính xác. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thế Hùng, Phương pháp phần tử hữu hạn trong chất lỏng, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2004. Vũ Minh Cát, Bùi Công Quang, Thuỷ văn nước dưới đất, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2003. C.W.FETER, Địa chất thuỷ văn ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 2000. Jonahan Istok, Groundwater Modeling by the Finite Element Method, Water resources Monograpt 13, American Geophysical Union.