Đánh giá điều kiện địa chất công trình và biến dạng mặt đất do khai thác nước ngầm khu vực hà đông hà nội

DỰ BÁO BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT KHU VỰC HÀ ĐÔNG DO ĐƠ THỊ HĨA VÀ KHAI THÁC NƯỚC NGẦM FORECASTING LAND SURFACE DEFORMATION IN HADONG REGION DUE TO URBANIZATION AND EXPLOITATION OF GROUNDWATER Trần Văn Tư, Hà Ngọc Anh, Đào Minh Đức, Nguyễn Mạnh Tùng Viện Địa chất Ngõ 84 đường Chùa Láng, Hà Nội Email: tranvantu92@yahoo.com.vn Tóm tắt: Sự biến dạng mặt đất lớn cho phép trước hết tồn lớp đất yếu vùng Thứ hai quy hoạch xây dựng không hợp lý Thứ ba khai thác nước ngầm khối lượng cho phép Tuy nhiên hệ nguyên nhân đầu gây Lớp đất yếu khu vực Hà Đông chủ yếu đợt biển tiến giai đoạn sớm thời kỳ Holocene gây lên Đó lớp trầm tích bùn ven biển dạng vũng vịnh hồ đầm lầy với hợp chất hữu cao, trạng thái chảy Lớp đất yếu với tính biến dạng cao gây lún bề mặt đất chất tải trọng Đặc biệt nguy hiểm không phù hợp phân bố không gian lớp đất yếu dạng tải trọng Bài báo trình bày kết tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) để dự báo biến dạng mặt đất khu vực Hà Đông với dạng tải trọng mặt khái thác nước ngầm Abstract: Surface deformation is greater than allowed value by the first due to the weak soil layers existing in the region The second due to construction plan is not reasonable The third is exploitation of underground water by volume more greater than allowed But the consequences are all due to the first cause The weak soil layers in HaDong region are formed mainly by marine transgression in early and middle Holocene stages It was muddy sediments of coastal bays or lakes with high organic compounds and in flow state The soil layers with high deformation caused land surface subsidence when loading It is specially dangerous due to nonconformity between spatial distribution of weak soil layer and the loading forms This paper presents the results calculated by the finite Khoa học Trái đất element method (FEM) to predict ground deformation in HaDong region with the different surface loads and ground water exploitation MỞ ĐẦU Khu vực quận Hà Đông, trước sát nhập Hà Tây vào Hà Nội thành phố Hà Đông với mở rộng theo quy hoạch đô thị Hà Đông Khu vực mặt địa lý chuyển tiếp đồng vùng bán sơn địa phía tây bắc Hà Nội Tuy nhiên ranh giới trình biển tiến thời kỳ đầu Holocene Bằng chứng có mặt mặt cắt địa chất hệ tầng đất yếu lbmQ11-2hh abQ11-2hh Một vài lỗ khoan bắt gặp lớp sét trầm tích biển hệ tầng Hải Hưng Đô thị Hà Đông gồm phần lưu vực hai sông Đáy Nhuệ chảy qua theo hướng bắc nam gần biên phía đơng tây khu vực Về địa hình, vùng phía nam đơng nam lưu vực sơng Đáy sơng Nhuệ có độ cao địa hình 4-5 m, chí 3-4m Trong vùng phía bắc với địa hình 6-8m Trong phạm vi hẹp đồng có chênh lệch lớn địa hình nhiều nguyên nhân Thứ nhất, hoạt động sụt lún gây hoạt động tân kiến tạo; thứ hai bổ cấp không phù sa sông Hồng sông Đáy thời kỳ chưa có đê; Thứ ba, q trình cố kết lớp đất yếu; Thứ tư tác động hoạt động kinh tế xây dựng làng xóm, đô thị khai thác nước ngầm Ngay từ đầu thập kỷ 90 kỷ trước, tượng lún mặt đất khai thác nước ngầm Hà Nội lưu ý nhiều nhà khoa học TS Lê Huy Hoàng, TS Nguyễn Đức Tâm, TS Trần Văn Hoàng, PGS, TS Nguyễn Huy Phương, PGS, TS Đoàn Thế Tường, …[1-4] Hà Nội vùng tồn trầm tích ven biển, trầm tích hồ đầm lầy kéo dài từ Pleistocene trở lại đây, đặc biệt vào thời kỳ đầu Holocene Nước đất trữ bổ cấp tầng chứa nước có thành phần thạch học từ cát đến cuội sỏi Các tầng nước hầu hết nước có áp mực nước có áp dâng cao qua tầng đất yếu Sự hạ thấp nước ngầm tạo hiệu ứng thứ cấp gây biến dạng lớp đất dính yếu gây biến dạng chung khu vực Thực Hà Đông vùng lân cận Hà Tây cũ nằm mắt xích nên khai thác nước ngầm mức mà không bổ cấp kịp thời không tránh bị biến dạng mặt đất Đồng thời với nghiên cứu lý thuyết, Hà Nội xây dựng hệ thống mốc đo biến dạng lún theo thời gian mặt đất vùng khai thác nước tiến hành đo lặp từ năm 1994-2004, [2] Các trạm đo lún bề mặt đất xây dựng đất có điều kiện địa chất điển hình thành phố, khu vực có tồn lớp đất yếu Thành Cơng, Pháp Vân, Ngơ Sỹ Liên, Tương Mai…, khu vực có tồn lớp đất tốt Ngọc Hà, Mai Dịch, Đông Anh, khu vực ven sông Hồng Lương Yên, Gia Lâm, khu vực nằm cách xa sông Hồng Ngơ Sỹ Liên, Hạ Đình, v.v Kết quan trắc trạm cho thấy, trạm có tồn lớp đất yếu, tốc độ lún bề mặt đất tương đối lớn Thành Công 41,42mm/năm, Ngô Sỹ Liên 31,52mm/năm, Pháp Vân 22,16 mm/năm …Những trạm khơng tồn lớp đất yếu có tốc độ lún bề mặt nhỏ Ngọc Hà 1,80 mm/năm, Mai Dịch 2,65 mm/năm, Đơng Anh 1,41 mm/năm Những trạm có vị trí gần sơng Hồng có độ lún bề mặt đất nhỏ mực nước ngầm nước sơng bù phụ phần Lương Yên 18,83 mm/năm, Gia Lâm 10,33 mm/năm Đô thị Hà Đông lân cận có mật độ dân cư cao với kinh tế thị ngày phát triển Về chiến lược kinh tế, khu vực hình thành khu công nghiệp với việc đầu tư sở hạ tầng lớn giao thông, điện, nước Sự phát triển kinh tế đô thị mật độ dân số cao bùng nổ mặt xây dựng khai thác nước Sự khai thác nước quy hoạch nhà nước, tự phát dân chúng Hiện nay, khai thác nước tập trung cung cấp cho Hà Đông thuộc hai nhà máy: Nhà máy trung tâm Hà Đông gồm giếng với công suất 16000 m3/ng.đ nhà máy nước Ba La gồm giếng với công suất 20000 m3/ng.đ Công suất ngày gia tăng mối lo ngại làm cân nguồn nước gây biến dạng mặt đất, [5] Sử dụng phương pháp học đất để tính toán biến dạng mặt đất khai thác nước ngầm hay cơng trình xây dựng thu điểm riêng biệt, [3] Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) áp dụng cho phép tính tốn tốn lớn với tích hợp nhiều dạng tải trọng Tại đô thị Hà Đông giải cho toán hai chiều, chiều dọc theo mặt cắt địa chất cơng trình từ Chúc Sơn đến ranh giới Hà Nội cũ (khoảng 11 km), chiều sâu đến tầng đá cứng, coi không biến dạng Như lần Việt Nam, toán địa học khu vực lớn mơ hình hóa tính toán phương pháp toán học Kết toán cho phép thấy rõ biến dạng mặt đất hoạt động kinh tế, cụ thể hệ thống cơng trình xây dựng khai thác nước ngầm ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH VÀ BIẾN ĐỘNG NƯỚC NGẦM KHU VỰC Ta thấy sơ lược điều kiện địa chất cơng trình khu vực qua mặt cắt dọc từ Chúc Sơn đến biên giới Hà Nội cũ Mô tả theo địa tầng, từ trẻ đến cổ, tiêu vật lý học cho phục vụ cho toán lập lên sau Lớp 1, hệ tầng Thái Bình bao gồm hai phụ lớp: Khoa học Trái đất  Phụ hệ tầng Thái Bình - lớp 1a (aQ23 tb2) Các thành tạo aluvi đê dạng bãi bồi, hàng năm bổ sung lượng phù sa sông Thành phần đa dạng từ sét pha – cát pha – cát mịn Trạng thái đất dính chủ yếu từ dẻo cứng đến dẻo tùy thuộc độ sâu phân bố Ngoài gặp đồng đê thành tạo hồ, đầm lầy, vết tích lịng sơng cổ Chúng hồ móng ngựa (sơng chết) sau bị đầm lầy hoá, phân bố rải rác với diện tích hạn chế Lớp 1a chủ yếu sét pha-cát pha hệ tầng Thái Bình trạng thái dẻo-dẻo cứng: W(%)=28.8; γw =1.91 (T/m3); e0=0.831; E=451.6 (T/m3); ν=0.3  Phụ hệ tầng Thái Bình - lớp 1b (aQ23 tb1) Trầm tích hệ tầng có nguồn gốc aluvi phân bố rộng rãi bề mặt đồng đê Thành phần đa dạng gồm tập với thành phần thạch học khác từ sét, sét pha, cát pha Tuy nhiên chủ yếu tập sét – sét pha trạng thái từ dẻo cứng đến dẻo mềm Trầm tích phụ hệ tầng Thái Bình phủ lên trầm tích cổ hơn, từ trầm tích hệ tầng Hải Hưng, có nơi phủ hệ tầng Vĩnh Phúc Chiều dày biến đổi từ - 25 m Dọc theo hai bờ sông khu vực nghiên cứu, trầm tích bị phủ trầm tích phụ hệ tầng Thái Bình Lớp 1b chủ yếu sét – sét pha hệ tầng Thái Bình trạng thái dẻo-dẻo mềm: W(%)=28.9; γw=1.89 (T/m3); e0=0.853; E=457.1 (T/m3); ν=0.3 Lớp 2, trầm tích hệ tầng Hải Hưng bao gồm hai phụ lớp:  Phụ hệ tầng Hải Hưng – lớp 2a (abQ21-2 hh3) Các thành tạo trầm tích phụ hệ tầng có nguồn gốc sơng, đầm lầy sau biển tiến, dặc trưng sét, bột sét, có cát, sét cát mềm nhão có thực vật, màu nâu đen, xám đen, chiều dày 0.5 -18 m Lớp 2a chủ yếu sét hệ tầng Hải Hưng trạng thái dẻo mềm đến dẻo chảy: W(%)=35.9; γ w=1.77 (T/m3); e0=1.075; E=295.3 (T/m3); ν=0.3  Phụ hệ tầng Hải Hưng - lớp 2b (lbmQ21-2 hh1) Các thành tạo trầm tích phụ hệ tầng Hải Hưng có nguồn gốc hồ - đầm lầy ven biển Phụ hệ tầng đặc trưng tàn tích thực vật lẫn sét cát sét bột, sét cát có chứa tàn tích thực vật màu xám đen thường gọi than bùn Đất thành tạo chủ yếu bùn sét xám tro, xám đen có lẫn nhiều thực vật Đây loại đất gây bất lợi cho cơng trình Bề dày phụ hệ tầng dao động từ - m Lớp 2b chủ yếu bùn sét bùn sét pha hệ tầng Hải Hưng trạng thái dẻo chảy đến chảy: W(%)=73; γw =1.47 (T/m3); e0=2.096; E=156.9 (T/m3); ν=0.3 Lớp 3, trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc (aQ13 vp), trầm tích bị phủ thành tạo trầm tích có tuổi Holocene Nhìn chung, thành tạo trầm tích có nguồn gốc aluvi hệ tầng Vĩnh Phúc gồm phần:  Phần gồm: Sạn sỏi, cuội nhỏ, thạch anh, silic, cát sạn sỏi chiếm ưu với kích thước hạt trung bình  Phần gồm: Sét bột lẫn cát, cát sét màu xám, xám trắng nhiễm sắt có màu loang lổ Về mặt địa chất cơng trình, khơng phân chia lớp chi tiết mà tập lại thành lớp có thành phần từ sét, sét pha lớp bao gồm cát có lẫn cuội sỏi Đất dính có trạng thái dẻo cứng đến cứng, đất rời trạng thái chặt Chỉ tiêu vật lý học hệ tầng Vĩnh Phúc không phân chia với E=20000 Kpa Lóp 4, hệ tầng Hà Nội, đồng sông Hồng xếp vào tuổi Pleistocene - Trầm tích hệ tầng Hà Nội phủ bất chỉnh hợp lên hệ tầng Lệ Chi bị hệ tầng Vĩnh Phúc phủ bất chỉnh hợp lên Chiều dày hệ tầng thay đổi từ - 30 m Thành phần thạch học cuội thạch anh, đá silic, đá cát kết chí có cuội đá phun trào Màu sắc cuội không đồng nhất, nhiều màu, phụ thuộc vào thành phần thạch học cuội Về mặt tướng xếp vào tướng aluvi - proluvi aluvi miền núi có nghĩa nguồn gốc trầm tích hệ tầng Hà Nội sông sông - lũ sông miền núi Lớp 5, hệ tầng Lệ Chi (aQ1 lc) gồm cuội, chủ yếu có thành phần thạch anh, silic, đá hoa, sỏi lẫn cát bột sét thuộc tướng lịng sơng vùng chuyển tiếp Chúng có màu xám nâu, xám xanh, trắng đục, xám lục Cuội có kích thước trung bình - cm, độ mài tròn tốt đến tốt, độ cầu từ trung bình đến tốt song độ chọn lọc từ trung bình đến Trên tập cuội sỏi cát hạt nhỏ, màu xám vàng, độ chọn lọc mài tròn tốt, thành phần thạch học chủ yếu cát thạch anh, mảnh đá silic, fenspat khống vật nặng Lớp 6, hệ tầng Vĩnh Bảo, đất đá trầm tích Neogen hệ tầng Vĩnh Bảo gồm: Cuội, sỏi, sạn kết màu xám sáng phớt xanh, mềm bở rắn chắc, bột kết, cát kết màu xám xanh, xám trắng rắn chắc, gắn kết tốt xen kẽ với lớp cát bột sét gắn kết yếu, màu xám vàng độ chọn lọc từ trung bình đến Do chưa có tài liêụ lỗ khoan chưa hết đất đá Neogen nên quan hệ chưa rõ, quan hệ bị trầm tích Đệ Tứ, xác thành tạo Pleistocene Pleistocene - muộn phủ Lớp 7, đất đá hệ tầng Viên Nam (T1vn ), chủ yếu đá phun trào đá bazan, porphyr, plagiobazan, andezito - bazan màu xám xanh, xám đen, xám lục tuf chúng Khoa học Trái đất Hình Mặt căt địa chất cơng trình thị Hà Đơng từ Trúc Sơn ranh giới Hà Nội cũ Động thái nước ngầm khu vực chịu ảnh hưởng chủ yếu thời tiết khai thác nước sinh hoạt Bởi khai thác nước nhà máy Hạ Đình lớn nên dao động mực nước ngầm với khai thác nước hai nhà máy Hà Đông Ba La phụ Hình động thái mực nước ngầm tầng Pleistocene Hà Đông Ba La (Q69a – vùng Ba La Q68b – vùng nội thị Hà Đơng) Hình Sự sụt giảm mực nước ngầm theo thời gian Hà Đông Sau đồ thị thể sụt giảm mực nước ngầm mặt cắt địa chất cơng trình Hình Sự sụt giảm mực nước ngầm gia tăng phía đơng nơi có nhà máy nước Hạ Đình khai thác với lưu lượng lớn Trên đồ thị đường mặt đất với độ sâu mực nước ngầm tương H (m) ứng tính tốn dự báo đến năm 2020 15 10 Mặt đất Nước ngầm -5 -10 -15 -20 10 Hình Sụt giảm nước ngầm theo dự báo đến 2020 Km 12 Khoa học Trái đất LẬP BÀI TOÁN, CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ MƠI TRƯỜNG Bài tốn thiết lập với điều kiện biên môi trường mặt cắt địa chất cơng trình Hình Các điều kiện lực bổ sung theo thực tế thị hóa mức độ sụt giảm mực nước ngầm Chúng ta có hai tốn: Xây dựng hệ thống cơng trình mặt đất (trường hợp 1) sụt giảm mực nước ngầm năm 2020 (trường hợp 2) Cả hai toán giải với điều kiện biên sau:  Tầng Hà Nội Lệ Chi tiếp xúc với đất đá hệ tầng Neogen hệ tầng Viên Nam, coi gối tựa cứng có chuyển vị khơng hai chiều  Phần biên bên phải toán mở rộng vơ theo mơ hình giải toán Tại biên gối tựa cứng cản trở chuyển vị theo phương ngang, phương đứng tự theo biến dạng lớp đất Điều kiện chịu lực, với lực tác dụng bề mặt cơng trình xây dựng dân dụng Các cơng trình cụm cơng trình với nhà cao tầng liền kề ngăn cách phố nhánh Vì cơng trình lớn làm cọc nhồi xuống tận tầng cuội sỏi nên ta tính cho cơng trình xây dưng dân cư cỡ tầng trở xuống Mật độ tồn thị xây dựng theo thiết kế quy hoạch 0.14 Tuy nhiên phố, mật độ xây dựng xấp xỉ Sông Đáy lấy mực nước 5.55 m, sông nhuệ lấy mức 3.25 m Với nhà tầng theo tính tốn trọng lượng lên tới 175.9 Tấn diện tích 50 m2 Như theo móng bè trọng lượng đơn vị 3.518 T/m2 35.18 Kpa Bài toán chịu tác động lực trọng lực phụ thêm mực nước ngầm suy giảm Vì trọng lượng thân đất đẩy w-1, nên mực nước ngầm rút xuống, phần mực nước ngầm trọng lượng thân w, nên trọng lượng thân phụ thêm Hình Mơ hình tốn tính tốn biến dạng mặt đất đô thị Hà Đông Khoa học Trái đất Hình cho sơ đồ hai tốn với điều kiện biên, điều kiện lực điều kiện mơi trường phân tích bên Bài tốn phân chia thành phần tử hữu hạn chủ yếu hình chữ nhật Các phần tử liên kết chia theo tam giác để dễ phù hợp Số phần tử hữu hạn khoảng 39.000, kích thước nhỏ vùng tập trung ứng suất nhỏ 1m KẾT QUẢ BÀI TỐN Bài tốn giải PPPTHH với toán đàn hồi hai chiều Kết phân tích chủ yếu chuyển vị mặt đất coi biến dạng bề mặt tác động tải trọng Trường hợp xây dựng cơng trình nhà cao tầng, ta xét hai phương án: PA1 với nhà khoảng 2-3 tầng tương ứng với tải trọng phân bố khoảng 17.59 Kpa (PA1), PA2 với nhà tầng tương ứng với tải phân bố 35.18 Kpa (PA2) Trên đồ thị Hình thấy phân bố biến dạng mặt đất hai trường hợp Kết cho thấy rằng, độ lún mặt đất lớn 0.30-0.35 m Đây độ lún lớn cho phép nhiều với cơng trình xây dựng dân dụng Song phải thấy độ lún hệ thống cơng trình khơng phải độ y (m) lún cơng trình BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT ĐÔ THỊ HÀ ĐÔNG Do tác động xây dựng 0.050 0.000 -0.050 -0.100 -0.150 -0.200 -0.250 -0.300 -0.350 PA1 PA2 8 9 10 10 11 11 X (Km) Hình Biến dạng mặt đất xây dựng cơng trình 10 12 S (m) SỤT LÚN MẶT ĐẤT DO KHAI THÁC NƯỚC NGẦM 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 -0.80 -1.00 -1.20 -1.40 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 Km 12.00 Hình Biến dạng mặt đất sụt giảm mực nước ngầm Độ lún mặt đất tập trung chủ yếu nơi xây dựng cơng trình tắt nhanh khỏi phạm vi xây dựng Kết phù hợp với cơng trình đặt đất có mơ đun biến dạng nhỏ Trong trường hợp biến dạng mặt đất sụt giảm nước ngầm, kết tính tốn cho Hình Ta thấy độ lún mặt đất lớn đến 1.2 m Đây trị số đáng báo động Tuy nhiên biến dạng kéo dài theo thời gian, lên đến nhiều năm tùy thuộc tốc độ cố kết tầng bùn Từ kết toán cho thấy rằng:  Biến dạng bề mặt đất xảy khắp bề mặt khu vực, với nơi có sụt giảm lớn nước ngầm độ lún mặt đất lớn  Những nơi có lớp đất bùn dày mức độ sụt lún mặt đất lớn (Khu vực nội đô Hà Đông) Ngược lại, nơi vắng mặt lớp đất bùn, thay vào lớp đất có tiêu vật lý học tốt mức độ sụt lún mặt đất nhỏ (khu vực cách Chúc Sơn 4-7 km, phạm vi hoạt động sông Đáy) Khu vực cách Chúc Sơn 2-4 km tồn thấu kính bùn sụt lún mặt đất khu vực cao chiều sâu thấu kính bùn lớn MỘT VÀI NHẬN XÉT THAY KẾT LUẬN 1) Kết tính tốn cho tốn với tải trọng cụm cơng trình, độ lún mặt đất lớn cho phép với cơng trình đơn lẻ Độ lún cho phép cụm cơng trình chưa có quy định quy phạm 2) Biến dạng mặt đất sụt giảm nước ngầm lớn so với việc xây dựng cơng trình mặt đất Tuy nhiên mặt tốc độ sụt lún nước ngầm nhỏ (theo báo cáo Hà Đông 11 Khoa học Trái đất tốc độ hàng năm khoảng 0.3-0.5 m/năm) mà trình cố kết lớp đất yếu kéo dài hai mươi năm Do hoạt động nhân sinh trình thị hóa, thay đổi độ cao mặt đất chịu tác động nhiều yếu tố Sự sụt lún mặt đất khai thác nước ngầm với tốc độ nhỏ khó nhận thấy 3) Đây tốn lớn mang tính khu vực, tác giả áp dụng Việt Nam Với kết tốn mở rộng cho biến dạng mặt đất khai thác khoáng sản cứng khai thác than (Đặc biệt than nâu đồng Bắc Bộ) Bài toán biến dạng mặt đất hoạt động kiến tạo đại nghiên cứu với phương pháp 4) Kết tốn tham khảo cho nhà quản lý thiết kế quy hoạch lựa chọn hệ số xây dựng quy hoạch cho phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO Đoàn Thế Tường, “Dự báo khả lún bề mặt đất hạ thấp mực nước ngầm”, Báo cáo tổng kết đề tài RD 9505, Hà Nội 1999 Liên hiệp khảo sát địa chất-xử lý móng cơng trình, “Báo cáo kết quan trắc lún mốc chuẩn M1, M2, M3, M4 trạm đo lún Ngọc Hà, Pháp Vân, Thành Công, Lương yên, Đông Anh, Gia Lâm từ 1994-2004”, Hà Nội 2005 Nguyễn Huy Phương, Tạ Đức Thịnh nnk, “Nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích ngược để nâng cao độ xác dự báo sụt lún mặt đất khai thác nước ngầm Hà Nội”, TC Địa kỹ thuật, ISSN-0868-279X, No 3-2005, 45-50 Nguyễn Văn Hưng, Trần Văn Hoàng, Nguyễn Hữu Bảng, “Dự báo độ lún mặt đất từ số liệu quan trắc trạm đo biến dạng lún bề mặt thay đổi mực nước ngầm”, TC Các khoa học trái đất 2001, V.23, no.2, tr.154-156 Trần Văn Tư nnk, “Đánh giá biến dạng bề mặt đất cơng trình hoạt động tự nhiên kinh tế khu vực đô thị Hà Đông lân cận, tỉnh Hà Tây», báo cáo tổng kết đề tài cấp Thành phố Hà Nội, năm 2009 12