NGHIÊN CỨU VÀ LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
PHỤC VỤ CÔNG TÁC LÀM KHÔ HỐ MÓNG KHI
THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI TRÊN SÔNG
STUDYING AND PROGRAMMING PERMEATION TO DRY THE
FOUNDATIONS OF THE HYDRAULIC WORKS ON RIVERS
NGÔ VĂN DŨNG
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Công tác làm khô hố móng dưới sự bảo vệ của đê quây đóng vai trò rất quan trọng khi thi công các
công trình đầu mối thuỷ lợi trên các dòng sông. Bài báo này giới thiệu chương trình tính thấm phục vụ
điều khiển thi công làm khô hố móng, dưới sự bảo vệ của hệ thống đê quây bằng đất.
ABSTRACT
Drying the foundation under the protection of small dykes takes an important role when executing the
main hydraulic work on rivers. This paper introduces a method of calculating the waste water
permeation to control the foundation drying of the hydraulic works, under the protection of earth small-
dyke systems.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Khi xây dựng các công trình thuỷ lợi trên sông, phần móng công trình đều nằm dưới
mặt đất thiên nhiên, môi trường hố móng thường ở trạng thái không bão hoà hoặc bão hoà
nước, rất phức tạp, đặc biệt là luôn luôn chịu ảnh hưởng của mực nước ngầm vận động. Mặt
khác quá trình xây dựng công trình hố móng luôn phải được giữ gìn khô ráo. Bài báo này
trình bày một giải pháp tính toán xác định lượng nước chảy vào hố móng giúp cho người thi
công được luôn chủ động để xây dựng công trình chính đạt được hiệu quả và an toàn.
2. ĐẶC ĐIỂM CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG HAY GẶP TRONG THỰC TẾ
2.1. Giới thiệu tổng quát các giai đoạn thi công làm khô hố móng
Với mục đích là làm khô khu vực xây dựng công trình trên các lòng dẫn sông suối và
bảo đảm yêu cầu sử dụng tổng hợp nguồn nước ở hạ lưu, người ta phải xây dựng một loạt hệ
thống các công trình tạm phục vụ thi công đó là: Công trình tháo nước và hệ thống đê quây.
Công trình tháo nước và hệ thống đê quây là một phần lòng dẫn cũ hoặc qua kênh, qua
máng, qua ống, qua đường hầm, qua các công trình tràn nước v.v... Công trình ngăn nước là
hệ thống đê quây bảo vệ hố móng ngăn nước từ lòng dẫn thấm chảy vào. Về cấu tạo, kết cấu
của đê quây bao gồm rất nhiều loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, các công trình trên sông đê
quây bằng đất được ứng dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, dễ thi công… Trong thực tế thường
gặp các loại sơ đồ sau:
+ Đê quây đất đặt trên nền không thấm có vật thoát nước bằng trụ.
+ Đê quây đất có vật thoát nước kiểu gối phẳng hoặc gối phẳng kiểu kín
+ Đê quây đất có vật thoát nước kiểu trụ thẳng đứng hoặc nằm ngang trong đê quây.
+ Nhiều loại kết cấu đê quây bằng đất khác…
Trong bài báo này tác giả trình bày khái quát một sơ đồ phương pháp tháo nước mặt
thường dùng nhất là đê quây đồng chất đắp trên nền nhiều lớp có hệ số thấm khác nhau.
2.2. Cơ sở tính toán phương pháp thoát nước mặt
Dòng thấm và dòng chảy mặt chảy vào hố móng là lượng nước cần thoát để làm khô
hố móng trong quá trình thi công. Trong trường hợp tổng quát có 2 thời kỳ:
+ Thời kỳ bơm cạn nước ban đầu:
Đây là thời kỳ sau khi chặn dòng xong và đắp xong hệ thống đê quây. Lúc này phạm
vi xây dựng cần được bơm cạn do đó mực nước trong hố móng được bơm hút hạ thấp dần từ
độ sâu ban đầu Hbđ xuống độ sâu Hm thoả mãn độ sâu thi công. Mực nước thượng lưu “phía
ngoài đê quây xem như không đổi” vì thời gian bơm cạn móng thường rất ngắn (xem hình vẽ
1).
PH¹ M VI hè mãn g
k4
k3
MN b¬m c¹ n
MN ban ®Çu § ª qu©y däc vµ ngang
MN s«ng
Hình 1. Hố móng công trình thời đầu
+ Thời kỳ đào móng và thi công công trình chính:
Thời kỳ này móng phải luôn luôn được giữ khô ráo để thi công công trình chính.
Lượng nước làm khô hố móng chủ yếu là lượng nước từ ngoài sông, bờ, thấm vào mái hố
móng, lúc này lượng nước bên trong móng luôn ở trạng thái ổn định hm = const mực nước
sông biến đổi theo điều kiện thuỷ văn dòng chảy và địa chất thuỷ văn. (xem hình vẽ 2)
MN min
MN s«ng
§ ª qu©y däc vµ ngang
PH¹ M VI h è mã ng §ANG THI C¤ NG
k3
k2
k1
h = const
GiÕng thu nuí c
MNN ®uî c h¹ thÊp
MNN
GiÕng b¬m
Hình 2. Hố móng công trình thời kỳ thi công
Đặc điểm hố móng khi xây dựng các công trình thuỷ lợi đầu mối trên sông là có diện
tích cần bảo vệ rất rộng, diện tích hố móng có kích thước hàng trăm m2 có khi rộng tới hàng
chục hecta. Do đó công tác làm khô hố móng rất phức tạp và rất cần sự quan tâm đúng mức.
Ở đây để tính toán lượng nước thấm vào hố móng gồm lượng nước thấm qua đê quây
và thấm qua mái hố móng với mô hình tính như sau:
k®
kn
m2
m1
H2
X
Vï ng b· o hoµ
Vï ng thÊm kh«ng b· o hoµ ( Ua-Uw < 0 )
Ki
K1
Mùc nø¬c trong hè mãng
lu«n gi÷ æn ®Þnh
PhÇn tö B cã kÝch thøc dx.dy.dz
B
z
H2y
o
H1y
Mùc nuí c trong s«ng B®
§ uêng b· o hoµ -( Ua-Uw = 0 )
T
Y
Hình 3. Cắt dọc đê quây và hố móng công trình thời kỳ thi công
Để xác định lượng nước thấm vào hố móng người ta quan niệm rằng. Môi trường vật
liệu để đắp đê quây ngăn dòng chảy vào hố móng luôn tồn tại các trạng thái khác nhau. Là kết
cấu đất ở trạng thái bão hoà nước và kết cấu đất ở trạng thái không bão hoà. Chúng luôn cùng
tồn tại và biến đổi.
- Dòng thấm bão hoà môi trường thấm tồn tại pha nước và pha rắn được vận động chủ
yếu nhờ trọng lực là do chênh lệch áp lực (Gradien cột nước) và tất cả các lỗ rỗng ở trong đất
đều chứa đầy nước (độ bão hoà S = 100%).
- Dòng thấm không bão hoà môi trường thấm luôn tồn tại 4 pha: pha nước, pha rắn,
pha khí và pha ngăn cách. Nhiều tác giả đã nghiên cứu và chứng minh rằng Gradien áp lực và
Gradien cao trình tạo nên thế truyền động cơ bản các phần tử nước trong môi trường bão hoà.
Như vậy để nghiên cứu dòng thấm vận động dạng tổng quát chúng ta vẫn phải dựa vào
định luật Darcy mở rộng cho dòng thấm không gian, không bão hoà.
vxj = kwj (Ua - Uw)
xj
wj
h
(1)
Trong đó:
vxj - lưu tốc dòng thấm theo phương x, y hoặc z
Ua, Uw - áp lực nước lỗ rỗng trong đất, áp lực không khí lỗ rỗng trong đất
kw - hệ số thấm đối với pha nước kw phụ thuộc vào S, e, w
với S- độ bão hoà, e- hệ lỗ rỗng, w- độ ẩm của đất
xj
wj
h
- Gradien thuỷ lực theo phương x, y, z
Đối với vùng đất bão hoà (Ua - Uw) = 1, khi đó kwj = ksj là hệ số thấm bão hoà
Trên cơ sở đó xét một phần tử đất vô cùng nhỏ trong đê quây có kích thước dx, dy, dz.
Dựa vào định luật Bảo toàn khối lượng chúng ta xác định được phương trình cơ bản dòng
thấm không gian trong môi trường bão hoà, không bão hoà, có áp, không áp của môi trường
đất không đồng chất dị hướng.
t
w
=
x
x
h
uuk w
wawx ).( + y
y
h
uuk w
wawy ).( +
z
z
h
uuk w
wawz ).( (2)
Trong đó:
t
w
là biến thiên hàm độ ẩm theo thời gian.
Đối với bài toán ổn định, môi trường đồng chất đẳng hướng phương trình cơ bản dòng
thấm ổn định trở về dạng phương trình Laplace (là một hàm điều hoà)
0
2
2
2
2
2
2
2
z
h
y
h
x
hwww
(3)
Như vậy để tính toán lượng nước chảy vào hố móng, căn cứ vào mô hình nghiên cứu
dòng thấm kết hợp với các điều kiện biên và sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn hoặc
phương pháp phần tử hữu hạn, dưới sự trợ giúp của máy tính điện tử từ đó xác định gần đúng
các đặc trưng thuỷ lực dòng thấm sát với thực tế.
3. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH THẤM PHỤC VỤ THI CÔNG
3.1. Thời kỳ tháo nước ban đầu
- Lượng nước cần phải bơm thoát là lượng nước đọng W có trong hố móng: Qđ =
T
W
- Lượng nước thấm từ đê quây, bở thấm vào hố móng
- Lượng nước thấm từ dưới nền trồi lên, lượng nước mưa, lượng nước ngoại lai.
3.2. Thời kỳ đào móng và tháo nước thường xuyên
- Mực nước trong hố móng cần luôn giữ được ổn định gồm: Lượng nước thấm từ sông
qua đê quây, từ mái, đáy hố móng, lượng nước ngoại lai, lượng nước thi công…
3.3. Thiết lập chương trình tính
Trong bài báo này tác giả tính toán trường hợp là bài toán thấm ổn định dựa vào ngôn
ngữ Visual Basic 6.0 để lập trình tính toán cho hai thời kỳ bơm tháo nước hố móng và giao
diện với môi trường Micrsoft Excel và MicrsoftWord với sơ đồ khối như sau:
Click
Quay l¹ i
Click
Ch¹ y chu¬ng tr×nh
Print
Output
Click
ChuyÓn >> Excel
Click
T¹ o b¶ng sè liÖu
TRUE
TRUE
VÏ biÓu ®å Q ~ Z; Q~ t; Z ~ t
B¶ng cËp nhËt c¸ c kÕt qu¶
NhËp c¸ c th«ng sè Kn,Kd,Bd,
m1,m2,H1,H2,Qb,F,HÖ sè rãc..
FALSE
START
STOP
Click
ChØnh söa b¶ng Excel
Hình 4. Sơ đồ khối biểu diễn các bước lập trình
Bảng điều khiển các tham số đầu vào, tham số tính toán & các giao diện:
Hình 5. Biểu diễn các thông số tính toán và quá trinh bơm cạn hố móng
- Kết quả tính toán cho giai đoạn tháo nước thường xuyên
Hình 7. Biểu diễn quá trình bơm ổn định
Hình 8. Biểu diễn thời gian bơm, dừng, tiếp tục
- Giao diện truyền số liệu kết quả qua môi trường Microsoft Excel
Hình 9. Biểu diễn giao diện truyền số liệu kết quả qua Excel
4. KẾT LUẬN
1. Qua kết quả tính toán tác giả đã xác định được lượng nước cần bơm thoát ở bất kỳ
thời điểm tính toán nào.
2. Kết quả tính toán cho biết được lưu lượng, thời gian bơm chính xác cho từng giai
đoạn thi công.
3. Kết quả tính toán cho biết được diễn biến quá trình bơm và cách nhìn bao quát tổng
quan qua đó người thi công hoàn toàn chủ động.
4. Quá trình bơm hút cho kết quả số lượng máy bơm cần bơm hút và số tiền chi phí
cho công tác bơm tháo nước thi công.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Jonathan Istok, Groundwater Modelling by the Finete Elevent Method, American Geophysical, 1989.
[2] Nguyễn Thế Hùng, Phương pháp phần tử hữu hạn trong chất lỏng, chương 5, NXB Xây dựng, 2000.
[3] D.G. Feredlund, H. Rahardio, Cơ học đất không bão hoà, tập I, NXB Giáo dục, 1998.
[4] Vũ Minh Cát, Bùi Công Quang, Thuỷ văn nước dưới đất, NXB Xây dựng, 2002.