Tính toán phương án hợp lý hạ thấp mực nước ngầm trong thi công công trình thủy lợi thuộc lưu vực sông Đáy

TS. Nguyễn Phan Anh Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người phản biện: TS. Nguyễn Hoàng TS. TRần Ngọc An

TÓM TẮT: Địa chất của lưu vực sông Đáy rất phức tạp, thường xuyên xảy ra hiện tượng cát đùn, cát chảy khi đào hố móng công trình nên đã gây rất nhiều khó khăn khi lựa chọn phương án thi công các công trình nhằm mở lại dòng sông Đáy. Do vậy, để hạ thấp mực nước ngầm phục vụ thi công các công trình thủy lợi thuộc lưu vực sông Đáy, tác giả căn cứ vào biện pháp thi công các công trình đã thi công trong lĩnh vực như: Thi công trạm bơm Quế, cống Vân Cốc…, kết hợp tính toán cụ thể tại công trình cống đập Đáy để đề xuất lựa chọn phương án hạ thấp mực nước ngầm tối ưu cho thi công dự án này.

TỪ KHÓA: Xây dựng thủy lợi, hạ ngầm, đất mềm.

Abstract: Geology of the Day river basin is very complex. Usually, it is difficult to find out the solutions on re-opening the river bed of Day river due to landslide in excavating foundation hole. Therefore, in order to lower the groundwater level in irrigation construction in Day river basin, the author proposes the feasible solution on  the basis of actual calculations in Dap Day sewer system combined with consulting the construction methods which are applied in the former time such as construction in Que pump station, Van Coc culvert, etc… to offer a feasible solution to lower the groundwater level of this construction works.

Keywords: Irrigation construction, lowering groundwater, soft ground.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Lưu vực sông Đáy là một vùng rộng lớn trải dài từ Sơn Tây (Hà Nội) xuống Ninh Bình, Nam Định. Sông Đáy bắt nguồn từ cửa Hát Môn (Huyện Đan Phượng, Hà Nội) và chảy ra biển Đông tại cửa Đáy thuộc huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình.

Năm 1943, người Pháp cho xây dựng đập Đáy có nhiệm vụ ngăn lũ và phân lũ cho sông Hồng. Kể từ khi xây dựng đập Đáy, đoạn sông Đáy từ đập Đáy đến Phủ Lý trở thành đoạn sông chết và có nguy cơ bị xóa sổ. Lượng nước đổ vào sông Đáy chủ yếu do các nhánh sông Tích, sông Bôi, sông Hoàng Long và sông Nhuệ. Năm 1965, Nhà nước đã đầu tư xây dựng cống Vân Cốc và đê Vân Cốc phía cửa vào sông Đáy để tránh ngập lụt cho khu vực dọc theo sông Đáy. Năm 1974, đập Đáy tiếp tục được đầu tư, cải tạo và nâng cao đê Đáy để chủ động trong việc phân lũ, đảm bảo an toàn cho Thủ đô Hà Nội và các tỉnh đồng bằng sông Hồng.

Để mở lại dòng sông Đáy, yêu cầu và nhiệm vụ đầu tiên đặt ra là xây dựng công trình điều tiết tại vị trí cửa vào tiếp giáp giữa sông Đáy và sông Hồng. Công trình này có nhiệm vụ phân lũ cho sông Hồng, điều tiết nước (đặc biệt vào mùa kiệt cho sông Đáy) kết nối giao thông thủy giữa sông Hồng và sông Đáy. Năm 2003, cống Vân Cốc được đầu tư để hiện thực hóa một phần của dự án, mở đầu cho dự án làm sống lại dòng sông Đáy. Đến năm 2005, cống Vân Cốc đã hoàn thành giai đoạn đầu tiên của dự án. Việc làm sống lại dòng sông Đáy phải thực hiện một vấn đề quan trọng nữa là xây dựng cống đập Đáy để đưa nước về hạ lưu. Cống lấy nước đập Đáy được đề xuất xây dựng bên phải đập Đáy (cách đập Đáy khoảng 800m về phía thượng lưu).

Do địa chất và điều kiện thi công tại công trình cống đập Đáy rất phức tạp nên Đề tài tập trung tính toán đề xuất phương án thích hợp để hạ thấp mực nước ngầm tại hố móng công trình.

2. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN TẠI KHU VỰC

Việc tiến hành mở lại sông Đáy bước đầu đã gặp phải một số khó khăn nhất định khi tiến hành đo đạc khảo sát địa chất, địa hình, điều kiện thủy văn trong khu vực [1] và những kinh nghiệm của các công trình trong hệ thống đã được triển khai thi công trước đây. Hầu hết các lớp đất địa chất tại khu vực đều có hệ số thấm lớn, đất nền yếu, mực nước ngầm cao, lượng mưa phân bố không đều, khi thực hiện công việc đào hố móng xảy ra hiện tượng cát đùn, cát chảy… đã gây rất nhiều khó khăn cho các giải pháp công trình nhằm làm sống lại dòng sông Đáy.

Do vậy, tính toán đề xuất phương án phù hợp, kết hợp với các điều kiện thực tế để triển khai thi công các công trình theo đúng tiến độ chất lượng là rất cần thiết. Về bản chất, các công trình thủy lợi thường có cao trình móng đặt sâu nên việc thi công công trình có thành công hay không phụ thuộc rất nhiều vào việc tiêu thoát nước hố móng để triển khai thi công móng công trình. Khi triển khai thi công một số công trình thuỷ lợi trên lưu vực sông Đáy đã gặp phải trở ngại rất lớn là địa chất đất nền thành phần chủ yếu là cát, có hệ số thấm lớn, với mực nước ngầm cao nên việc hạ thấp mực nước ngầm rất khó khăn.

3. CÁC PHƯƠNG ÁN HẠ THẤP MỰC NƯỚC NGẦM    

Căn cứ vào tài liệu địa chất, địa hình, thủy văn của khu vực xây dựng công trình, mực nước ngầm cần hạ tại vị trí giữa hố móng để thi công cống đập Đáy là 7m, tác giả đưa ra 3 phương án để tính toán hạ thấp mực nước ngầm để tính toán một số chỉ tiêu cơ bản như Bảng 3.1:

Bảng 3.1. Bảng các chỉ tiêu cần xác định

STT	Tên chỉ tiêu	Ký hiệu
1	Khả năng hút nước của một giếng	Q
2	Độ sâu hạ giếng	H
3	Bán kính ảnh hưởng	R
4	Trị số vùng ảnh hưởng	Ta
5	Số lượng giếng	n
6	Khoảng cách giữa các giếng	e

Phương án 1: Hạ thấp mực nước ngầm sử dụng các giếng lớn;

Phương án 2: Hạ thấp mực nước ngầm sử dụng một hàng giếng kim;

Phương án 3: Hạ thấp mực nước ngầm sử dụng hai hàng giếng kim.                          

Trong các phương án, tác giả tập trung nghiên cứu tính toán một số chỉ tiêu cơ bản như sau:

3.1. Phương án 1: Hạ thấp mực nước ngầm sử dụng các giếng lớn (Hình 3.1)

Ta có các thông số phục vụ tính toán: K = 9x10^-3cm/s = 7,776 (m/ngđ); đường kính ống lọc: D = 40 (cm); chiều dài ống lọc: l = 7,0 (m); chiều sâu hạ mực nước ngầm ở đáy hố móng: S₀ = 7,0 (m); r - Bán kính của giếng chọn r = 20 (cm).

- Xác định khả năng hút nước của một giếng):                                                                                                                        

 

 

 

 

 

∆h - Cột nước tiêu hao khi nước chảy qua ống lọc (0,5 ÷ 1,0) m, lấy ∆h =1,0 (m); h₀ - Độ ngập nước của phần lọc, lấy h₀ = 1,0 (m); S₀ - Độ sâu hạ thấp mực nước ngầm ở đáy hố móng, S₀ = 7,0 (m).

Thay các số liệu vào (3), ta có H = 24 (m)                                                                    

 

(5)

 

Bảng 3.2. Bảng tính trị số Ta [1]

So  /H	0,2	0,3	0,5	0,8	1,0
Ta  /H	1,3	1,5	1,7	1,85	2,0

- Xác định số lượng giếng (n):                           

+ Xác định bán kính biểu kiến

 

 

 

 

Với Q’ - Lượng nước không cao áp giới hạn phía trên bằng đường thấm và phía dưới bằng mặt phẳng ở cao trình đáy giếng; Q’’- Lượng nước có áp giới hạn phía trên là cao trình mặt đáy giếng, hoặc phía dưới là lớp đất không thấm hoặc là đường giới hạn của vùng ảnh hưởng; t Chiều dày lớp nước có áp hoặc chiều sâu vùng ảnh hưởng, t = Ta - H = 11.80(m)                                   

Thay số liệu vào, ta có: Q’ = 5740 (m³/ngđ), Q’’ = 1784 (m³/ngđ).

Vậy ta có lưu lượng thấm chảy vào hố móng: Q = Q’ + Q’’ = 7524(m³/ngđ).

Số lượng giếng cần thiết để hút được lưu lượng nước thấm Q thấm vào hố móng được xác định:

 

 

 

3.2 Phương án 2: Hạ thấp mực nước ngầm sử dụng một hàng giếng kim (Hình 3.2)

Phương án sử dụng một hàng giếng kim bố trí xung quanh chu vi hố móng. Để thuận tiện cho việc thi công, giảm tối thiểu chiều sâu hạ giếng, ta bố trí hệ thống giếng xung quanh hố móng ở cao trình +5,6 (cao trình mực nước ngầm trước khi hạ) và cách mép hố móng 2m.

3.3 Phương án 3: Hạ thấp mực nước ngầm sử dụng hai hàng giếng kim (Hình 3.3)

Phương án sử dụng hai hàng giếng kim bố trí ở 2 cao trình khác nhau xung quanh chu vi hố móng. Do khả năng hạ nước của giếng kim thích hợp nhất từ 3 ÷ 4m, mặt khác để đóng cọc đạt hiệu quả cao nhất (máy đóng cọc đứng ở                              ), ta nên bố trí 1 hàng giếng kim ở cao trình +5,6 và 1 hàng giếng kim ở cao trình +2,1.

Trình tự tính toán tương tự như đối với phương án 1 ta được kết quả tính toán cho cả 3 phương án được tổng hợp như sau:

Bảng 3.3. Bảng tổng hợp số liệu tính toán của các phương án

STT	Tên các chỉ tiêu	Ký hiệu	Phương án 1	Phương án 2	Phương án 3
1	Đường kính giếng	D	40cm	7cm	7cm
2	Khả năng hút của giếng	q	879,2 m3/ngđ	26,4 m3/ngđ	26,4 m3/ngđ
3	Độ sâu hạ giếng	H	24m	11,6m	8,1m
4	Bán kính ảnh hưởng	R	392	159,6	78
5	Trị số Vùng ảnh hưởng	Ta	35,81	20,3	13,2
6	Số giếng	n	12	198	201
7	Khoảng cách giữa các giếng	e	30m	1,8m	TB =3,0m

Hình 3.1: Phương án 1 - Sơ đồ bố trí hệ thống giếng lớn hạ MNN tại cống đập Đáy

 

Hình 3.2: Phương án 2 - Sơ đồ bố trí một hàng giếng kim hạ MNN tại cống đập Đáy

 

Hình 3.3. Phương án 3 - sơ đồ bố trí hai hàng giếng kim hạ MNN tại cống đập Đáy

 

4. KẾT LUẬN

Trên  cơ sở tính toán số liệu cho từng phương án, tác giả đưa ra những nhận xét sau:

- Về phương án 1: Khả năng hút nước lớn, hiệu quả làm việc cao, giếng làm việc ổn định nhưng phương pháp hạ giếng khá phức tạp, không thể triển khai thủ công;

- Về phương án 2: Khả năng hạ giếng đơn giản nhưng giếng làm việc không ổn định hay bị tắc (do đường kính nhỏ dễ bị sự cố cát chảy làm tắc), hiệu quả làm việc không cao.

- Về phương án 3: Khả năng hạ giếng đơn giản, hiệu quả làm việc cao hơn phương án 2 nhưng giếng làm việc không ổn định hay bị tắc (do đường kính nhỏ dễ bị sự cố cát chảy làm tắc), hiệu quả làm việc không cao, đòi hỏi mặt bằng thi công và số lượng giếng lớn.

Để chủ động trong việc hạ thấp mực nước ngầm phục vụ thi công các công trình đảm bảo chất lượng và chủ động tiến độ, tác giả đề xuất lựa chọn phương án 1: Sử dụng các giếng lớn bố trí xung quanh chu vi hố móng.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Hồng Đức (2006), Cơ sở địa chất công trình và địa chất thủy văn công trình, Hà Nội.

[2]. Lê Văn Kiểm (1974), Thi công đất và nền móng, NXB. ĐH&THCN.

[3]. Lê Dung (2008), Công trình thu nước, trạm bơm cấp thoát nước, NXB. Xây dựng, Hà Nội.