Thiết kế tầng lọc dạng vật liệu rời trong hệ thống cấp nước bằng phương pháp kích thước khe hở trong môi trường đất đá

THIẾT KẾ TẦNG LỌC DẠNG VẬT LIỆU RỜI TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG KÍCH THƯỚC KHE HỞ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT-ĐÁ

TÓM TẮT: Trong hệ thống cấp nước, một số công trình có sử dụng tầng lọc dạng vật liệu rời như công trình thu nước ngầm hay bể lọc trong xử lý nước. Thiết kế tầng lọc này đóng một vai trò quan trọng vì tính toán không hợp lý có thể làm hư hại công trình thu nước hay chất lượng nước không đạt yêu cầu trong bể lọc nước. Từ lâu, việc thiết kế tầng lọc này đã được các nhà nghiên cứu cung cấp các công thức thực nghiệm dựa trên kích thước của vật liệu cần được bảo vệ và kích thước của vật liệu làm tầng lọc. Các nghiên cứu đã cho thấy một số hạn chế phát sinh trong việc sử dụng các công thức dạng này. Chính vì thế, bài nghiên cứu này trình bày việc thiết kế tầng lọc dựa vào sự phân bố các kích cỡ khe hở trong môi trường rời (như cát-đá). Trước tiên, bài nghiên cứu trình bày lý thuyết tính toán kích cỡ khe hở và đưa đến công thức tính toán tầng lọc dựa vào lý thuyết này. Một số thí nghiệm được thực hiện để kiểm tra sự hợp lý của công thức. Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng công thức tính toán tầng lọc dựa vào kích thước khe hở nên được áp dụng trong thực tế.

TỪ KHÓA: hệ thống cấp nước; công trình thu nước ngầm; lọc nước; thiết kế tầng lọc; kích cỡ khe hở.

DESIGNING GRANULAR FILTERS WITHIN WATER-SUPPLY SYSTEMS USING THE CONSTRICTION-SIZE APPROACH OF POROUS MEDIA

ABSTRACT: Within water-supply systems, some kinds of works employ granular filters such as groundwater intakes or water-treatment units. The filter design plays an important role since the inappropriate design may lead to the damage of the intake works or the unsastifactory water quality. The filter design has been studied for a long time, providing the impirical equations based on the sizes of base materials and filter materials. Some studies have shown that there are limitations while using these filter cariteria. Therefore, this study presents the filter design based on the constriction sizes of porous media such as sand soils. Firstly, this study presents the approach for calculating constriction sizes leading to filter criteria using this constriction-size approach. Experiments have been conducted for verifying the application of these criteria. The conclusion is that constriction-based criteria for filter design should be used in the reality.

KEYWORDS: water-supply system; groundwater intake; water filtration; filter design; constriction sizes.

1. GIỚI THIỆU

Hệ thống cấp nước sinh hoạt đóng một vai trò lớn trong một đô thị hiện nay. Như được trình bày trong các tài liệu [1, 2], hệ thống cấp nước thường bao gồm các công trình như công trình thu nước, trạm bơm cấp nước, các công trình làm sạch hoặc xử lý nước, các công trình điều hòa và dự trữ nước, mạng lưới đường ống. Tầng lọc nước là một bộ phận quan trọng và được sử dụng trong nhiều công trình. Trong hệ thống cấp nước, bộ phận này đóng vai trò lớn trong công trình thu nước ngầm hay công trình lọc trong xử lý nước. Mặt dù trong thời gian gần đây, sự phát triển của các dạng vật liệu xây dựng mới đã cung cấp các hình thức khác của tầng lọc như sử dụng vải địa kỹ thuật, nhưng vật liệu tại chỗ vẫn được sử dụng nhiều do tính kinh tế. Vật liệu tại chỗ phổ biến là cát, sỏi sạn, đá cuội, … và được gọi là vật liệu rời.

Hình 1 là sơ đồ ví dụ về việc sử dụng tầng lọc vật liệu rời cho một công trình thu nước ngầm. Theo đó, dòng thấm hướng lên đi vào vùng chứa nước sẽ có xu hướng bốc dỡ đất lên trên. Theo thời gian, nền đất sẽ bị mất ổn định và gây hư hỏng công trình. Để phòng tránh xu hướng này, một tầng lọc được bố trí. Trong hình là một ví dụ tầng lọc chỉ có hai lớp (cát và sỏi sạn). Tất nhiên, tùy loại vật liệu đất nền tự nhiên và cường độ dòng thấm mà tầng lọc có cấu tạo thay đổi. Có những tầng lọc có thể có đến 4÷5 lớp và lớp trên cùng có thể phải sử dụng đá tảng.

Hình 1. Sơ đồ một công trình thu nước ngầm sử dụng tầng lọc vật liệu rời.

Theo nguyên tắc hoạt động của tầng lọc ở Hình 1, lớp cát trong tầng lọc phải có nhiệm vụ giữ các hạt đất của đất nền tự nhiên, không cho dòng thấm mang theo lên trên. Tương tự, lớp sỏi sạn bên trên phải có nhiệm vụ giữ các hạt trong lớp cát không bị bốc dỡ lên trên. Các công trình như đập đất cũng có lớp lọc với nguyên tắc hoạt động tương tự. Theo nghiên cứu của [3, 4], việc thiết kế không hợp lý các tầng lọc là nguyên nhân chính gây ra các thảm họa vỡ đập. Bảng 1 là hai ví dụ điển hình của đập đất bị vỡ với nguyên nhân chính là do dòng thấm gây ra với tầng lọc hoạt động không hiệu quả.

Bảng 1. Đập bị hư hỏng do dòng thấm [3]

Do đó, việc thiết kế tầng lọc trong công trình thu nước ngầm cũng đóng vai trò quan trọng vì hậu quả cũng có thể lớn do sự mất an toàn của công trình gây ra. Bài nghiên cứu này trình bày một cách tiếp cận mới được phát triển trong thời gian gần đây để thiết kế tầng lọc vật liệu rời này.

2. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ TẦNG LỌC VẬT LIỆU RỜI

Phần này trình bày công thức thực nghiệm được sử dụng trong thiết kế tầng lọc vật liệu rời. Xem xét ví dụ thiết kế tầng lọc ở Hình 1, giả sử ta đã biết kích cỡ vật liệu đất nền tự nhiên (thông qua đường cấp phối hạt). Vấn đề được đặt ra là kích cỡ hạt của vật liệu kề cận là lớp cát nên là bao nhiêu. Và khi đã biết kích cỡ lớp cát rồi thì kích cỡ lớp sỏi sạn nên là bao nhiêu. Bài nghiên cứu này chỉ giới hạn xem xét thiết kế tầng lọc về mặt kích cỡ để không gây ra hiện tượng xói đất (tức lớp cát phải giữ được lớp đất nền tự nhiên và lớp sỏi sạn phải giữ được lớp cát). Yếu tố mất ổn định do cường độ dòng thấm không được xem xét trong bài báo này.

Xét tình huống thiết kế lớp cát trong tầng lọc như trong Hình 1. Do lớp đất tự nhiên bên dưới lớp cát này có thể bị dòng thấm cuốn đi theo gây xói lở nên được gọi là tầng đất cần được bảo vệ. Lớp cát bên trên có nhiệm vụ giữ lớp đất tự nhiên và được gọi là lớp đất tầng lọc.

Hình 2. Sử dụng công thức thực nghiệm thiết kế lớp lọc.

Hình 2 xem xét thiết kế lớp lọc theo tình huống này. Giả sử lớp đất tự nhiên đã được xác định đường cấp phối hạt. Kích cỡ lớp cát sẽ được quyết định theo công thức nổi tiếng của Terzaghi [5] như sau (lưu ý là công thức này áp dụng với các loại đất mà cấp phối hạt phân bố không rộng, hệ số đồng nhất CU nhỏ hơn 4)

trong đó, là kích cỡ hạt nằm trên đường cấp phối của lớp lọc liên quan đến vị trí mà có 15% khối lượng hạt trong mẫu nhỏ hơn ("filter" có ý nghĩa là lớp lọc); là kích cỡ hạt nằm trên đường cấp phối của lớp cần bảo vệ liên quan đến vị trí mà có 85% khối lượng hạt trong mẫu nhỏ hơn (base có ý nghĩa là lớp cần được bảo vệ). Theo đó, nhiều nghiên cứu đã nối tiếp đề xuất này của Terzaghi, ví dụ như của [6, 7].

3. TÍNH TOÁN LỚP LỌC TIẾP CẬN THEO CÁCH XÁC ĐỊNH KÍCH CỠ KHE HỞ TRONG MÔI TRƯỜNG RỜI

Tiêu chuẩn thiết kế đã được trình bày bên trên căn cứ hoàn toàn vào kích cỡ hạt đất. Tuy nhiên, thực tế cho thấy khe hở giữa các hạt đất mới đóng vai trò chính kiểm soát tính chất lọc. Phần này chỉ trình bày vắn tắt cách tính toán, người đọc có thể tham khảo các nghiên cứu liên quan để có các thông tin chi tiết hơn.

Nghiên cứu của [8] và [9] đã đề xuất xác định đường phân bố kích cỡ khe hở (constriction size distribution) từ đường cấp phối hạt và độ chặt tương đối tương ứng. Hình 3 thể hiện ý tưởng về khe hở trong môi trường rời này. Ở trạng thái chặt nhất có thể, các hạt có xu hướng xếp như Hình 3(a) và đường kính hình tròn nằm lọt trong khe hở đó được coi như kích cỡ khe hở. Ngược lại, khi đất ở trạng thái rỗng nhất có thể, các hạt có thể được sắp xếp như Hình 3(b) và kích cỡ khe hở được quy đổi tương đương với đường kính hình tròn bằng với diện tích của phần khe hở đó (phần tô đen). Lưu ý là Dc là kích cỡ khe hở (constriction), trạng thái chặt nhất và rỗng nhất của đất được thể hiện qua D (densest) và L (loosest).

Sử dụng lý thuyết xác suất để đánh giá xác suất có mặt của các hạt và đường kính tương ứng trong các sắp xếp của Hình 3, chúng ta có thể xác định được xác suất của các kích cỡ khe hở tương ứng. Một điều cần lưu ý là trong tính toán này, đường kích cỡ hạt theo diện tích bề mặt hạt được sử dụng quy đổi từ đường cấp phối hạt truyền thống (đường cấp phối hạt theo khối lượng). Tóm lại, từ đường cấp phối hạt truyền thống có thể xác định được từ phòng thí nghiệm, chúng ta có thể tính toán ra được đường phân phối kích cỡ khe hở. Hình 4 là một ví dụ về xác định đường phân bố kích cỡ khe hở từ một đường cấp phối hạt ở các độ chặt Rd khác nhau. Chúng ta thấy rõ là với độ chặt càng cao (đất càng bị nén chặt) thì kích cỡ khe hở sẽ nhỏ hơn.

Hình 4. Ví dụ xác định các đường phân bố kích cỡ khe hở từ một đường cấp phối hạt ở các độ chặt Rd khác nhau.

Các nghiên cứu trên còn chỉ ra rằng với một môi trường rỗng, chúng ta có thể xác định được một thông số được gọi là kích cỡ khe hở kiểm soát (controlling constriction size, Dc). Kích cỡ Dc này cho biết với một môi trường rời nào đó, kích cỡ hạt lớn nhất có thể đi xuyên qua là Dc. Cụ thể hơn, Dc là kích cỡ khe hở trên đường phân bố kích cỡ khe hở tương ứng với vị trí 35%. Lúc này, khi xem xét bài toán thiết kế lớp lọc, lớp lọc được xem như một cái rây sàn có kích cỡ mắt lưới là Dc (xem Hình 5).

Hình 5. Mô hình lớp lọc với kích cỡ khe hở kiểm soát Dc.

Theo cách tiếp cận này, công thức tính toán tầng lọc được tính toán dựa theo kích cỡ khe hở:

trong đó, là kích cỡ khe hở kiểm soát của lớp lọc và là kích cỡ hạt của lớp cần bảo vệ ứng với vị trí 85%. Như vậy, nếu tổ hợp đất cần bảo vệ và lớp lọc thỏa Công thức 2 thì tầng lọc hoạt động tốt và có thể giữ được lớp đất cần được bảo vệ.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các kiến thức liên quan và sử dụng một ngôn ngữ lập trình (cụ thể là MATLAB) để xây dựng một chương trình tính toán đường phân phối kích cỡ khe hở tương ứng với đầu vào là đường cấp phối hạt và độ chặt tương ứng. Từ đó, kích cỡ khe hở kiểm soát Dc cũng được xác định.

4. THỰC HIỆN CÁC THÍ NGHIỆM LIÊN QUAN

Công thức 2 đã được chứng minh thông qua các kết quả thí nghiệm từ các nghiên cứu đã trình bày. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã tự triển khai thêm các thí nghiệm để có thêm các kiểm chứng. Do điều kiện thí nghiệm không được thuận tiện, nhóm không thực hiện được nhiều và trong tương lai gần, khi các thiết bị thí nghiệm được trang bị, nhóm sẽ triển khai thêm các thí nghiệm để xem xét tính ứng dụng của công thức trên.

Hình 6. Sơ đồ thiết bị thực hiện thí nghiệm

Hình 6 mô tả thiết bị thực hiện thí nghiệm. Theo đó, loại đất cần được bảo vệ và đất của lớp tầng lọc được sắp đặt vào thiết bị thí nghiệm. Nước được bơm vào bên trên và nước đi ra bên dưới. Nước đi ra có thể có lẫn đất bị cuốn trôi từ lớp đất cần được bảo vệ trong tình huống lớp lọc không hoạt động đúng tính năng. Tình huống được xem là lớp lọc không hoạt động tốt khi quan sát thấy có nhiều đất từ lớp cần bảo vệ bị trôi theo dòng nước đi ra ngoài.

Hình 7. Các đường cấp phối hạt dùng trong thí nghiệm (B – lớp đất cần bảo vệ; F – lớp tầng lọc)

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực hiện 4 thí nghiệm với cùng một loại đất dùng làm lớp cần bảo vệ (đường B trong Hình 7). Bài báo sử dụng 4 loại đất dùng làm lớp lọc với kích thước hạt tăng dần (4 đường F1, F2, F3 và F4). Kết quả thí nghiệm cũng như việc sử dụng Công thức 2 được thể hiện trong Bảng 2. Độ chặt tương đối Rd là 0,5 trong các thí nghiệm này.

Bảng 2. Kết quả thí nghiệm so sánh với kết quả sử dụng Công thức 2.

Cột (1) thể hiện tên loại vật liệu làm lớp đất cần bảo vệ trong thí nghiệm. Như đã trình bày, đất B trong Hình 7 được sử dụng. Cột (2) liên quan 4 loại vật liệu làm lớp lọc, đó là F1, F2, F3 và F4 trong Hình 7. Cột (3) là giá trị kích cỡ hạt của vật liệu làm lớp cần bảo vệ tại vị trí 85%. Do chỉ có một loại vật liệu nên các giá trị này là như nhau. Cột (4) là giá trị kích cỡ khe hở kiểm soát. Ta thấy, kích cỡ hạt tăng làm kích cỡ khe hở tăng theo. Cột (5) là giá trị tính toán của tỉ số D_c^filter / D₈₅^base trong Công thức 2. Theo công thức này, hai tổ hợp thí nghiệm B-F1 và B-F2 cho thấy lớp lọc có thể giữ được lớp đất cần bảo vệ (do tỉ số nhỏ hơn 1). Hai tổ hợp còn lại (B-F3 và B-F4) cho thấy lớp lọc đã thất bại trong việc giữ lớp đất bên trên. Cột (6) là kết luận rút ra từ quá trình thí nghiệm và kết quả này tương ứng với kết quả tính toán từ Cột (5).

5. KẾT LUẬN

Hệ thống cấp nước là một trong các thành tố cơ bản chứng minh chất lượng sống của một đô thị, việc có được một hệ thống an toàn với chất lượng nước đạt yêu cầu là vấn đề cần quan tâm của các nhà quản lý và thiết kế. Trong hệ thống cấp nước, nhiều bộ phận xây dựng khi chịu ảnh hưởng của dòng thấm thường cần có tầng lọc để tránh các hiện tượng xói ngầm diễn ra. Hai bộ phận trong hệ thống cấp nước mà lớp lọc đóng vai trò quan trọng có thể kể ra là công trình thu nước ngầm hay tầng lọc trong xử lý nước. Mặc dù với sự phát triển của lĩnh vực vật liệu xây dựng, nhiều vật liệu hiện đại có thể được tận dụng để làm lớp lọc như vải địa kỹ thuật, nhưng lớp lọc sử dụng vật liệu tại chỗ như cát, đá vẫn còn được sử dụng nhiều do tính kinh tế của nó.

Bài nghiên cứu này tập trung vào công thức tính toán để thiết kế tầng lọc dạng cát, đá. Từ lâu, công thức để tính toán thường sử dụng kích cỡ hạt đất trong vật liệu (ví dụ Công thức 1) nhưng nhiều nghiên cứu cho thấy phương pháp này cũng có nhiều bất cập. Theo đó, các nghiên cứu này đề xuất sử dụng kích cỡ khe hở trong môi trường rời như đất cát để tính toán.

Trên tinh thần đó, nhóm nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng phương pháp này để thực hiện các nội dung sau:

• Tổng hợp và phân tích hệ thống lý thuyết từ các nghiên cứu trước để xây dựng đường phân phối kích cỡ khe hở từ đường cấp phối hạt và độ chặt tương đối của môi trường. Từ đường phân phối này, một thông số quan trọng là kích cỡ khe hở kiểm soát Dc được tính toán.
• Sử dụng ngôn ngữ lập trình (cụ thể là MATLAB) để xây dựng một chương trình tính đường phân bố kích cỡ khe hở và thông số khe hở kiểm soát.
• Nghiên cứu áp dụng công thức tính toán thiết kế tầng lọc dựa vào kích cỡ khe hở (Công thức 2).
• Thực hiện 4 thí nghiệm kiểm tra, chứng minh được kết quả quan sát từ thí nghiệm tương thích với kết quả sử dụng công thức.

Qua đó, theo xu hướng, việc thiết kế tầng lọc sử dụng lý thuyết kích cỡ khe hở nên được sử dụng trong hệ thống cấp nước vì các ưu điểm đã được trình bày. Tuy nhiên, một thử thách khi sử dụng cách tiếp cận này là tính toán đường phân bố kích cỡ khe hở thường sẽ phức tạp và cần nhiều thời gian.

LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cho nghiên cứu này.

XUNG ĐỘT LỢI ÍCH

Nhóm tác giả cam kết rằng không có bất kỳ xung đột lợi ích nào trong công bố bài báo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]N. D. Nguyễn, Cấp nước Đô thị. Hà Nội: Nhà xuất bản Xây dựng, 2008.

[2]X. L. Trịnh, Tính toán các công trình xử lý và phân phối nước cấp. Hà Nội: Nhà xuất bản Xây dựng, 2008.

[3]R. P. Sharma and A. Kumar, "Case Histories of Earthen Dam Failures," presented at the International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, 2013.

[4]M. Foster, R. Fell, and M. Spannagle, "The statistics of embankment dam failures and accidents," Canadian Geotechnical Journal, vol. 37, no. 5, pp. 1000-1024, 2000, doi: 10.1139/t00-030.

[5]K. Terzaghi, R. B. Peck, and G. Mesri, Soil mechanics in engineering practice. Third edition. United States: John Wiley, New York, NY (United States) (in English), 1995.

[6]L. Sherard James, P. Dunnigan Lorn, and R. Talbot James, "Basic Properties of Sand and Gravel Filters," Journal of Geotechnical Engineering, vol. 110, no. 6, pp. 684-700, 1984/06/01 1984, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1984)110:6(684).

[7]L. Sherard James, P. Dunnigan Lorn, and R. Talbot James, "Filters for Silts and Clays," Journal of Geotechnical Engineering, vol. 110, no. 6, pp. 701-718, 1984/06/01 1984, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1984)110:6(701).

[8]M. Locke, B. Indraratna, and G. Adikari, "Time-Dependent Particle Transport through Granular Filters," Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 127, no. 6, pp. 521-529, 2001/06/01 2001, doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2001)127:6(521).

[9]K. Raut Ashok and B. Indraratna, "Further Advancement in Filtration Criteria through Constriction-Based Techniques," Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 134, no. 6, pp. 883-887, 2008/06/01 2008, doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2008)134:6(883).

Tác giả: Nguyễn Võ Trọng^1,2*, Võ Thị Tuyết Giang^1,2

^{1 Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM (HCMUT), 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam}

^{2 Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Phường Linh Trung, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam}

^{*nguyenvotrong@hcmut.edu.vn}