Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sự lún mặt đất do khai thác nước ngầm bằng mô hình toán : Áp dụng vào một khu vực của Đồng bằng Sông cửu Long

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-oOo -

STUDY ON GROUND SUBSIDENCE DUE TO GROUNDWATER EXTRACTION

APPLICATION TO AN AREA IN THE MEKONG DELTA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình thủy

Mã số: 8580202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2022

Trang 2

Trang i

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Huỳnh Thanh Sơn

4 Phản biện 2: TS Lưu Xuân Lộc

5 Ủy viên: TS Trà Thanh Phương

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Họ tên học viên: NGUYỄN QUỐC THÁI MSHV: 1970302 Ngày, tháng, năm sinh: 24/01/1987 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy Mã số: 8580202

SÔNG CỬU LONG (STUDY ON GROUND SUBSIDENCE DUE TO

GROUNDWATER EXTRACTION APPLICATION TO AN AREA IN THE

MEKONG DELTA.)

1 Nhiệm vụ:

Nghiên cứu sự lún mặt đất do khai thác nước ngầm, bằng mô hình giải tích và

mô hình toán số (GEO SIGMA/W): (i) Xem xét độ nhạy của các thông số đối với độ

lún mặt đất, từ đó xây dựng được một số đồ thị diễn tả quan hệ giữa đường kính

giếng/lưu lượng bơm, … với độ lún mặt đất, làm nền tảng cho việc ước tính độ lún

khi khai thác nước ngầm; (ii) Ứng dụng mô hình toán số GEO SIGMA/W để tính sụt

lún do khai thác nước ngầm tại huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh

2 Nội dung nghiên cứu:

(i) Mô hình giải tích và mô hình SIGMA/W tính lún mặt đất do khai thác

nước ngầm cho bài toán giếng đơn và bài toán thực tế;

(ii) Đề xuất các kịch bản khai thác nước ngầm và giải pháp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/9/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/07/2022

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2022

PGS TS Huỳnh Thanh Sơn

TS Nguyễn Quang Trưởng

Trang 4

Trang iii

Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu sự lún đất do khai thác nước ngầm bằng mô hình

toán Áp dụng vào một khu vực của Đồng bằng sông Cửu Long” được hoàn thành tại

Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Tài nguyên Nước thuộc trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM vào tháng 07 năm 2022 dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS

Huỳnh Thanh Sơn

Tôi xin chân thành cảm ơn và tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Huỳnh

Thanh Sơn đã giúp đỡ, hướng dẫn và động viên để tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Tài

nguyên Nước đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận

văn

Xin cảm ơn các anh, chị học viên cao học khóa 2019 đã đồng hành cùng tôi

trong những năm học vừa qua Xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Xí nghiệp 2 – Công ty

CP Tư vấn Xây dựng Thủy lợi II (HECII) đã giúp tôi trong những buổi đầu khó khăn

nhất Xin cảm ơn gia đình đã là nguồn động viên cho tôi trong suốt thời gian vừa qua

Lún mặt đất do khai thác nước ngầm là vấn đề nghiêm trọng mà chúng ta đang

phải đối mặt, đặc biệt ở khu vực trũng, thấp như Đồng bằng sông Cửu Long, trong

bối cảnh đô thị hoá cao kết hợp mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu Tuy nhiên, để có kết quả tính toán chính xác độ lún do khai thác nước ngầm, cần nhiều nguồn tài

liệu như: tài liệu địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, số liệu mực nước ngầm, …

tại phạm vi nghiên cứu, thường là một khu vực khá rộng, lớn Do đó, trong quá trình

tính toán, thực hiện luận văn, học viên không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất

mong nhận được sự góp ý, phê bình của Quý Thầy Cô, đọc giả và các bạn đồng môn

Xin chân thành cảm ơn!

TP HCM, ngày 15 tháng 07 năm 2022

Học viên thực hiện

Nguyễn Quốc Thái

Trang 5

TÓM TẮT

Sự biến động của mực nước ngầm dẫn đến sụt lún nền và công trình xây dựng đã và đang tiếp diễn tại nhiều khu vực như Thành phố Hồ Chí Minh, Đồng bằng sông

Cửu Long Vì vậy, nghiên cứu thiết lập mối tương quan giữa hạ thấp cao độ mực

nước ngầm và sụt lún nền sẽ giúp đưa ra những qui hoạch và phương thức quản lý

hợp lý, nhất là trong bối cảnh của sự đô thị hóa như hiện nay

Cùng với sự phát triển của công nghệ, các mô hình toán số dùng để giải quyết

bài toán sụt lún đất đã ra đời, một trong những mô hình đó là bộ phần mềm GeoStudio,

mà cụ thể là phần mềm con SIGMA/W, do công ty GEOSLOPE International Ltd

(Canada) phát triển

Bên cạnh các mô hình tính lún mặt đất do khai thác nước ngầm đã được nhiều

tác giả trong và ngoài nước áp dụng như MODFLOW, Plaxis, … việc ứng dụng phần

mềm SIGMA/W giúp bổ sung thêm một công cụ mạnh mẽ, hỗ trợ tính toán lún mặt đất do khai thác nước ngầm Từ đó đưa ra dự báo độ lún mặt đất theo các kịch bản

khai thác nước ngầm khác nhau, hỗ trợ cho công tác thiết kế khảo sát xây dựng, qui

hoạch xây dựng trong phạm vi nghiên cứu

Từ khóa: SIGMA/W 2D, lún mặt đất, khai thác nước ngầm

Trang 6

Along with the development of technology, numerical models used to solve the problem of land subsidence were born, one of which is the GeoStudio software, specifically the SIGMA/W sub-software which is developed by GEOSLOPE International Ltd (Canada)

Besides the ground settlement calculation models due to groundwater exploitation that have been applied by many domestic and foreign authors such as MODFLOW, Plaxis, etc., the application of SIGMA/W software helps to add a powerful tool, support to calculate ground subsidence due to groundwater extraction As a result, the ground settlement prediction is made according to different groundwater extraction scenarios, supporting the design, construction survey, construction planning within the research area

Keywords: SIGMA/W 2D, ground subsidence, groundwater extraction

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Những nội dung trong luận văn cao học này là do tôi thực hiện dưới sự hướng

dẫn trực tiếp của PGS TS Huỳnh Thanh Sơn

Mọi tham khảo dùng trong luận văn cao học này được trích dẫn rõ ràng tên tác

giả, tên công trình, thời gian và địa điểm công bố Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng

Kết quả của đề tài là hoàn toàn trung thực Mọi sao chép không hợp lệ và dối

trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2022

Học viên thực hiện

Nguyễn Quốc Thái

Trang 8

1.3Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4Nội dung nghiên cứu 3

1.5Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH TOÁN GIẢI TÍCH VÀ TOÁN SỐ 42.1Thủy lực giếng khai thác nước ngầm [5], [6] 4

2.1.1 Trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh 4

2.1.2 Trường hợp giếng đơn không hoàn chỉnh 7

2.1.3 Trường hợp nhiều giếng khai thác hoạt động đồng thời 10

2.2Mô hình toán giải tích 12

2.2.1 Lý thuyết cố kết một chiều của lớp sét 12

2.2.2 Công thức tính toán lún do khai thác nước dưới đất 13

2.3Mô hình toán số 16

2.3.1 Giới thiệu một số mô hình toán số tính lún mặt đất 16

2.3.2 Lựa chọn mô hình toán số 18

2.3.3 Cơ sở lý thuyết mô hình GEO SIGMA/W [13], [14] 20

2.3.4 Cơ sở lý thuyết mô hình GEO SEEP/W [15] 23

CHƯƠNG 3ỨNG DỤNG SIGMA/W CHO MỘT SỐ BÀI TOÁN CƠ BẢN CỦA GIẾNG ĐƠN 26

3.1Thiết lập mô hình tính toán 26

3.1.1 Xây dựng mô hình 26

3.1.2 Các trường hợp tính toán 27

3.1.3 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 34

3.1.4 Thông số địa chất (đặc tính vật liệu) 36

3.2Các kết quả tính toán 36

3.2.1 Bài toán 1: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 36

3.2.2 Bài toán 2: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 42

Trang 9

3.2.3 Bài toán 3: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 42

3.2.4 Bài toán 4: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 48

3.3Phân tích độ nhạy các thông số 48

3.3.1 Phương pháp đánh giá độ nhạy thông số [17] 48

3.3.2 Kết quả đánh giá độ nhạy thông số 50

4.1.2 Hiện trạng khai thác nước dưới đất 58

4.1.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 62

4.1.4 Đặc điểm địa chất công trình 66

4.2Đánh giá mức độ sụt lún mặt đất do khai thác nước dưới đất bằng mô hình toán số SIGMA/W 67

4.2.1 Xác định khu vực nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 67

4.2.2 Thiết lập mô hình toán số 69

4.2.3 Các trường hợp tính toán 86

4.2.4 Độ lún cố kết theo thời gian tại từng thời điểm tính toán 87

4.2.5 Kết quả tính toán độ lún mặt đất do khai thác nước ngầm 88

4.3Đánh giá sơ bộ mức độ sụt lún mặt đất do khai thác nước dưới đất bằng mô hình giải tích 101

4.4Phân tích kết quả tính toán 101

4.4.1 Độ lún trung bình và tốc độ lún trung bình phạm vi nghiên cứu 101

4.4.2 So sánh kết quả tính toán giữa mô hình toán số và mô hình giài tích 104

4.4.3 Dự báo độ lún do khai thác nước ngầm phạm vi nghiên cứu 105

CHƯƠNG 5KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114

5.1Kết luận 114

5.2Kiến nghị 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

Trang 10

Trang ix

BÀI TOÁN CƠ BẢN CỦA GIẾNG ĐƠN 118

THÔNG SỐ BÀI TOÁN CƠ BẢN CỦA GIẾNG ĐƠN 135

VI NGHIÊN CỨU (H CHÂU THÀNH, T TRÀ VINH) 174

CHÂU THÀNH, T TRÀ VINH) BẰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH 177

Trang 12

Trang xi

CÁC KÝ TỰ VÀ THUẬT NGỮ

S Độ hạ thấp của cột nước đo áp (m)

So Độ hạ thấp của cột nước đo áp tại vị trí thành giếng (m)

Q Lưu lượng bơm từ giếng (m³/h)

K Độ dẫn suất thuỷ lực (cm/s)

H1 Cột nước đo áp ban đầu (m)

H Cột nước đo áp tại thời điểm đang xét (m)

H0 Cột nước đo áp tại vị trí thành giếng (m)

ro Bán kính giếng khai thác nước ngầm (m)

r Bán kính tính từ điểm đang xét đến tim giếng khai thác (m)

R1 Bán kính ảnh hưởng của giếng khai thác (m)

M Khoảng cách từ đáy tầng chứa nước đến điểm giữa đoạn ống lọc có

tác dụng (giếng không hoàn chỉnh)

 Ứng suất hữu hiệu (T/m2)

 Tổng ứng suất (T/m2)

Trang 13

Ký tự Diễn giải

u Áp lực nước lỗ rỗng (T/m2) Cv Hệ số cố kết đứng (m2/năm)

Tv Nhân tố thời gian

Sso Hệ số đàn hồi (m-1)

Cp Hệ số nén toàn phần (Pa-1) Ce Hệ số nén của nước (Pa-1)

 Khối lượng riêng của nước

g Gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s²)

Trang 14

Trang xiii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Khai thác nước ngầm khu vực gần hồ Lucerne Lake, trong mùa khô tại San Bernardino

County, Mojave Desert, California làm sụt nền đất, gây nứt lòng hồ Nguồn:

https://www.usgs.gov/ 1

Hình 1.2 Sụt lún đất tại San Joaquin Valley, California (Nguồn: https://phys.org/news/) 2

Hình 1.3 Gần 40% thành phố Jakarta, Indonesia chìm dưới mực nước biển, hậu quả của việc khai thác nước ngầm, gây ngập lụt nghiêm trọng (The New York Times, 2017) Nguồn: https://storymaps.arcgis.com/ 2

Hình 2.1 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh – tầng thấm nước có áp 4

Hình 2.2 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh – tầng thấm nước không áp 6

Hình 2.3 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng thấm nước có áp 8

Hình 2.4 Đồ thị xác định A=f(α) 8

Hình 2.5 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng thấm nước không áp 9

Hình 2.6 Mô hình nhiều giếng khai thác hoạt động đồng thời 11

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa ứng suất tổng, ứng suất có hiệu và áp lực nước lỗ rỗng 13

Hình 2.8 Mô tả sự cân bằng tĩnh cùng các điều kiện biên 21

Hình 2.9 Mô tả mối quan hệ chuyển vị - biến dạng 22

Hình 3.1 Thông số bài toán 1: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 27

Hình 3.2 Thông số bài toán 2: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 28

Hình 3.3 Thông số bài toán 3: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 28

Hình 3.4 Thông số bài toán 4: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 29

Hình 3.5 Kích thước và lưới hình học mô hình toán số 34

Hình 3.6 Điều kiện biên mô hình SEEP/W 35

Hình 3.7 Điều kiện biên mô hình SIGMA/W 36

Hình 3.8 Đồ thị tương quan giữa bán kính giếng và độ lún mặt đất 37

Hình 3.9 Đồ thị tương quan giữa lưu lượng bơm và độ lún mặt đất 38

Hình 3.10 Đồ thị tương quan giữa độ dẫn suất thuỷ lực và độ lún mặt đất 39

Hình 3.11 Đồ thị tương quan giữa bán kính ảnh hưởng và độ lún mặt đất 40

Hình 3.12 Đồ thị tương quan giữa bề dày tầng thấm nước (B2) và độ lún mặt đất 41

Hình 3.13 Đồ thị tương quan giữa bán kính giếng và độ lún mặt đất 42

Hình 3.14 Đồ thị tương quan giữa lưu lượng bơm và độ lún mặt đất 43

Hình 3.15 Đồ thị tương quan giữa độ dẫn suất thuỷ lực và độ lún mặt đất 44

Hình 3.16 Đồ thị tương quan giữa bán kính ảnh hưởng và độ lún mặt đất 45

Hình 3.17 Đồ thị tương quan giữa bề dày tầng thấm nước (B2) và độ lún mặt đất 47

Hình 3.18 Đồ thị tương quan giữa khoảng cách đáy giếng đến đáy tầng chứa nước (Hg) và độ lún mặt đất 48

Hình 3.19 Đồ thị thể hiện độ nhạy của các thông số đối với độ lún mặt đất (Bài toán 1) 52

Hình 3.20 Đồ thị thể hiện độ nhạy của các thông số đối với độ lún mặt đất (Bài toán 3) 55

Hình 3.21 Độ nhạy thông số ở các dạng bài toán 56

Hình 4.1 Vị trí ranh giới địa chính tỉnh Trà Vinh 58

Hình 4.2 Tỷ lệ nước dưới đất khai thác theo đơn vị hành chính [18] 59

Trang 15

Hình 4.3 Tỷ lệ nước dưới đất khai thác theo tầng chứa nước [18] 60

Hình 4.4 Tỷ lệ nước dưới đất khai thác theo mục đích sử dụng [18] 61

Hình 4.5 Bản đồ địa chất thủy văn tỉnh Trà Vinh [19] 63

Hình 4.6 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến I-I [19] 63

Hình 4.7 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến II-II [19] 64

Hình 4.8 Mực nước hạ thấp trung bình tại các giếng quan trắc Quốc gia giai đoạn 1995÷2016 ứng với từng tầng địa chất [20] 66

Hình 4.9 Mặt cắt địa chất hướng Đông - Tây [16] 66

Hình 4.10 Mặt cắt địa chất hướng Nam-Bắc [16] 67

Hình 4.11 Sơ đồ bố trí giếng khai thác nước ngầm trên địa bàn tỉnh Trà Vinh [12] 67

Hình 4.12 Khu vực nghiên cứu lựa chọn: huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh 68

Hình 4.13 Phạm vi nghiên cứu lựa chọn: huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh (không bao gồm 02 xã Hòa Minh và Long Hoà) 68

Hình 4.14 Mực nước giai đoạn 2000 đến 2016 (tầng chứa nước qp3) tại trạm quan trắc Quốc gia Q404020 [20] 70

Hình 4.15 Kích thước cơ bản của mô hình toán số 72

Hình 4.16 Kích thước mô hình tại vị trí giếng (1), (2), (4), (6), (7) 72

Hình 4.17 Kích thước mô hình tại vị trí giếng (3) 73

Hình 4.18 Kích thước mô hình tại vị trí giếng (5) 73

Hình 4.19 Phân tích các điều kiện ban đầu (Initial conditions) 76

Hình 4.20 Phân tích sự thay đổi mực nước do bơm hút nước ngầm (Pumping phase) 76

Hình 4.21 Phân tích lún mặt đất do sự thay đổi mực nước ngầm (Settlement) 77

Hình 4.22 Điều kiện biên mô hình SEEP/W 78

Hình 4.23 Điều kiện biên mô hình SIGMA/W 79

Hình 4.24 Chia lưới phần tử hữu hạn cho mô hình 80

Hình 4.25 Khai báo vật liệu lớp 1 82

Hình 4.26 Khai báo Vol Water Content Fn lớp 1 83

Hình 4.27 Khai báo Hyd Conductivity Fn lớp 1 83

Hình 4.28 Khai báo vật liệu lớp 2 85

Hình 4.29 Khai báo Vol Water Content Fn lớp 2 86

Hình 4.30 Khai báo Hyd Conductivity Fn lớp 2 86

Hình 4.31 Độ lún ổn định (phần mềm SIGMA/W) tại vị trí giếng (1) – năm 2001 88

Hình 4.33 Kết quả tính toán độ lún cố kết theo thời gian do khai thác nước ngầm (kết hợp với sự biến đổi mực nước ngầm) tại từng thời điểm tính toán ở vị trí giếng (1) 89

Trang 16

Trang xv

Hình 4.39 Kết quả tính toán độ lún cố kết theo thời gian do khai thác nước ngầm (kết hợp với sự

biến đổi mực nước ngầm) tại từng thời điểm tính toán ở vị trí giếng (3) 92

Hình 4.52 Minh hoạ phương pháp nội suy IDW 100

Hình 4.53 Độ lún (cm) do khai thác và hạ thấp mực nước ngầm theo từng thời điểm tính toán trên phạm vi nghiên cứu 101

Hình 4.54 Quan hệ giữa hạ thấp mực nước dưới đất và độ lún 102

Hình 4.55 Tốc độ lún trung bình tại từng vị trí giếng theo từng giai đoạn 103

Hình 4.56 Tốc độ sụt lún do nén ép tại Đồng bằng sông Cửu Long (2006 ÷2010) [22] 104

Hình 4.57 Tương quan kết quả tính toán độ lún mặt đất bằng mô hình giải tích và mô hình toán số 105

Hình 4.58 Mực nước ngầm trung bình của ĐBSCL đến năm 2100 theo từng kịch bản khai thác 107

Hình 4.59 Độ lún (dự báo) do khai thác nước ngầm theo từng kịch bản 110

Hình 4.60 Diễn biến độ lún do khai thác nước ngầm tại phạm vi nghiên cứu theo các kịch bản 111

Hình 4.61 Dự báo tốc độ lún trung bình theo từng kịch bản 112

Hình Phụ lục 1 1 Đồ thị tương quan giữa bán kính giếng và độ lún mặt đất 120

Hình Phụ lục 1 2 Đồ thị tương quan giữa lưu lượng bơm và độ lún mặt đất 121

Hình Phụ lục 1 3 Đồ thị tương quan giữa độ dẫn suất thuỷ lực và độ lún mặt đất 122

Hình Phụ lục 1 4 Đồ thị tương quan giữa bán kính ảnh hưởng và độ lún mặt đất 123

Hình Phụ lục 1 5 Đồ thị tương quan giữa bề dày tầng thấm nước (B) và độ lún mặt đất 125

Hình Phụ lục 1 6 Đồ thị tương quan giữa bán kính giếng và độ lún mặt đất 128

Hình Phụ lục 1 7 Đồ thị tương quan giữa lưu lượng bơm và độ lún mặt đất 129

Hình Phụ lục 1 8 Đồ thị tương quan giữa độ dẫn suất thuỷ lực và độ lún mặt đất 130

Trang 17

Hình Phụ lục 1 9 Đồ thị tương quan giữa bán kính ảnh hưởng và độ lún mặt đất 131

Hình Phụ lục 1 10 Đồ thị tương quan giữa bề dày tầng thấm nước (B) và độ lún mặt đất 133

Hình Phụ lục 1 11 Đồ thị tương quan giữa khoảng cách đáy giếng đến đáy tầng chứa nước (Hg) và độ lún mặt đất 134

Hình Phụ lục 2 1 Đồ thị thể hiện độ nhạy của các thông số đối với độ lún mặt đất (Bài toán 2) 137

Hình Phụ lục 2 2 Đồ thị thể hiện độ nhạy của các thông số đối với độ lún mặt đất (Bài toán 4) 139

Hình Phụ lục 4 1 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-r1 164

Hình Phụ lục 4 2 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-r5 165

Hình Phụ lục 4 3 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-Q1 166

Hình Phụ lục 4 4 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-Q10 167

Hình Phụ lục 4 5 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-K1 168

Hình Phụ lục 4 6 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-K10 169

Hình Phụ lục 4 7 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-R1 170

Hình Phụ lục 4 8 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-R10 171

Hình Phụ lục 4 9 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-B21 172

Hình Phụ lục 4 10 Kết quả tính lún bằng mô hình SIGMA/W, mô hình mã 1-B210 173

Hình Phụ lục 5 1 Độ lún (cm) do khai thác và hạ thấp mực nước ngầm ở năm 2001 tại huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh 174

Hình Phụ lục 5 3 Độ lún (cm)do khai thác và hạ thấp mực nước ngầm ở năm 2008 tại huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh 175

Hình Phụ lục 5 4 Độ lún (cm)do khai thác và hạ thấp mực nước ngầm ở năm 2012 tại huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh 175

Hình Phụ lục 6 1 Mặt cắt tính toán mô hình giải tích 177

Hình Phụ lục 6 2 Thiết lập kích thước mô hình giải thích 178

Trang 18

Trang xvii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Một số đề tài nghiên cứu về hạ thấp mực nước ngầm và sụt lún do khai thác nước

ngầm tại Việt Nam và thế giới 18

Bảng 3.1 Các thông số thay đổi trong mô hình tính toán 29

Bảng 3.2 Các tổ hợp thông số mô hình tính toán bài toán 1: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 30

Bảng 3.3 Các tổ hợp thông số mô hình tính toán bài toán 3: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 31

Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý của đất phục vụ tính toán [16] 36

Bảng 3.5 Kết quả tính toán Bài toán 1, khi thay đổi thông số r0 37

Bảng 3.6 Kết quả tính toán Bài toán 1, khi thay đổi thông số Q 37

Bảng 3.7 Kết quả tính toán Bài toán 1, khi thay đổi thông số K 39

Bảng 3.8 Kết quả tính toán Bài toán 1, khi thay đổi thông số R1 40

Bảng 3.9 Kết quả tính toán Bài toán 1, khi thay đổi thông số B2 41

Bảng 3.10 Kết quả tính toán Bài toán 3, khi thay đổi thông số r0 42

Bảng 3.11 Kết quả tính toán Bài toán 3, khi thay đổi thông số Q 43

Bảng 3.12 Kết quả tính toán Bài toán 3, khi thay đổi thông số K 44

Bảng 3.13 Kết quả tính toán Bài toán 3, khi thay đổi thông số R1 45

Bảng 3.14 Kết quả tính toán Bài toán 3, khi thay đổi thông số B2 46

Bảng 3.15 Kết quả tính toán Bài toán 3, khi thay đổi thông số Hg 47

Bảng 3.16 Bảng phân cấp độ nhạy của thông số 49

Bảng 3.17 Kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 1) 50

Bảng 3.18 Tổng hợp kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 1) 51

Bảng 3.19 Kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 3) 52

Bảng 3.20 Tổng hợp kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 3) 54

Bảng 4.1 Tổng lượng khai thác nước dưới đất theo đơn vị hành chính [18] 59

Bảng 4.2 Tổng lượng khai thác nước dưới đất theo các tầng chứa nước [18] 60

Bảng 4.3 Tổng lượng khai thác nước dưới đất theo mục đích sử dụng [18] 61

Bảng 4.4 Số lượng và mật độ giếng khai thác phân chia theo đơn vị hành chính [18] 61

Bảng 4.5 Số lượng và mật độ giếng khai thác phân chia theo tầng chứa nước [18] 62

Bảng 4.6 Chiều dày phân bố và chiều dày các tầng chứa nước [19] 64

Bảng 4.7 Thông số địa chất thủy văn [19] 64

Bảng 4.8 Các tầng chứa nước và cách nước của khu vực tỉnh Trà Vinh [19] 65

Bảng 4.9 Tọa độ và lưu lượng giếng khai thác nước ngầm trên địa bàn huyện Châu Thành 69

Bảng 4.10 Chỉ tiêu cơ lí đất [16] 69

Bảng 4.11 Giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lí đất [16] 69

Bảng 4.12 Giá trị mực nước và mực nước hạ thấp (trung bình) năm tại tầng chứa nước qp3 của giếng quan trắc Q404020 [20] 70

Bảng 4.13 Các kích thước và thông số cơ bản của mô hình toán số SIGMA/W ứng với từng trường hợp tính toán 74

Bảng 4.14 Các thông số khai báo đặc tính vật liệu lớp 1 (bùn sét) 80

Bảng 4.15 Các thông số khai báo đặc tính vật liệu lớp 2 (cát, cát bột) 83

Trang 19

Bảng 4.16 Tổng hợp các trường hợp tính toán 86

Bảng 4.17 Độ cố kết Uv theo từng thời điểm tính toán 88

Bảng 4.18 Độ lún mặt đất do khai thác nước ngầm tại phạm vi nghiên cứu (mô hình giải tích) 101

Bảng 4.19 Độ lún trung bình tại vị trí giếng theo thời điểm tính toán (mô hình toán số) 102

Bảng 4.20 Tốc độ lún trung bình tại vị trí giếng theo thời điểm tính toán 103

Bảng 4.21 So sánh kết quả tính toán giữa mô hình toán số và mô hình giải tích 104

Bảng 4.22 Các kịch bản khai thác nước ngầm 106

Bảng 4.23 Mực nước trung bình theo 2 nguồn số liệu ( [20] và [4]) 107

Bảng 4.24 Tổng hợp kết quả dự báo mực nước ngầm (trung bình) tại phạm vi nghiên cứu 109

Bảng 4.25 Kết quả dự báo độ lún theo từng kịch bản 109

Bảng 4.26 Dự báo tốc độ lún trung bình theo từng kịch bản 112

Bảng Phụ lục 1 1 Các tổ hợp thông số mô hình tính toán bài toán 2: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 118

Bảng Phụ lục 1 2 Kết quả tính toán Bài toán 2, khi thay đổi thông số r0 119

Bảng Phụ lục 1 3 Kết quả tính toán Bài toán 2, khi thay đổi thông số Q 120

Bảng Phụ lục 1 4 Kết quả tính toán Bài toán 2, khi thay đổi thông số K 122

Bảng Phụ lục 1 5 Kết quả tính toán Bài toán 2, khi thay đổi thông số R1 123

Bảng Phụ lục 1 6 Kết quả tính toán Bài toán 2, khi thay đổi thông số B 124

Bảng Phụ lục 1 7 Các tổ hợp thông số mô hình tính toán bài toán 4: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 125

Bảng Phụ lục 1 13 Kết quả tính toán Bài toán 4, khi thay đổi thông số Hg 133

Bảng Phụ lục 2 1 Kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 2) 135

Bảng Phụ lục 2 2 Tổng hợp kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 2) 136

Bảng Phụ lục 2 3 Kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 4) 137

Bảng Phụ lục 2 4 Tổng hợp kết quả phân tích độ nhạy thông số (Bài toán 4) 139

Bảng Phụ lục 3 1 Kết quả tính lún lớp cát bằng mô hình giải tích – Bài toán 1: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 140

Bảng Phụ lục 3 2 Kết quả tính lún lớp cát bằng mô hình giải tích – Bài toán 2: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 142

Bảng Phụ lục 3 3 Kết quả tính lún lớp cát bằng mô hình giải tích – Bài toán 3: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước có áp 144

Bảng Phụ lục 3 4 Kết quả tính lún lớp cát bằng mô hình giải tích – Bài toán 4: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 147

Bảng Phụ lục 3 5 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-r1 150

Trang 20

Trang xix

Bảng Phụ lục 3 6 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-r5 152

Bảng Phụ lục 3 7 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-Q1 153

Bảng Phụ lục 3 8 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-Q10 154

Bảng Phụ lục 3 9 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-K1 156

Bảng Phụ lục 3 10 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-K10 157

Bảng Phụ lục 3 11 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-R1 158

Bảng Phụ lục 3 12 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-R10 160

Bảng Phụ lục 3 13 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-B21 161

Bảng Phụ lục 3 14 Kết quả tính lún lớp bùn sét bằng mô hình giải tích, mô hình mã 1-B210 162 Bảng Phụ lục 6 1 Kết quả tính độ lún ổn định lớp 1 (Bùn sét) bằng mô hình giải tích, năm 2001 179

Bảng Phụ lục 6 2 Kết quả tính độ lún ổn định lớp 1 (Bùn sét) bằng mô hình giải tích, năm 2004 180

Bảng Phụ lục 6 6 Kết quả tính độ lún ổn định lớp 2 (Cát, cát bột) bằng mô hình giải tích 185

Bảng Phụ lục 6 7 Độ lún cố kết theo thời gian do khai thác nước ngầm tại phạm vi nghiên cứu (mô hình giải tích) 188

Bảng Phụ lục 1 1 Các tổ hợp thông số mô hình tính toán bài toán 2: Giếng đơn hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 118

Bảng Phụ lục 1 7 Các tổ hợp thông số mô hình tính toán bài toán 4: Giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng chứa nước không áp 125

Bảng Phụ lục 1 13 Kết quả tính toán Bài toán 4, khi thay đổi thông số Hg 133

Trang 21

nước dưới đất, là nước ngọt được chứa trong các lỗ rỗng của đất hoặc đá Nó cũng có

thể là nước chứa trong các tầng ngậm nước bên dưới mực nước ngầm Đôi khi người

ta còn phân biệt nước ngầm nông, nước ngầm sâu và nước chôn vùi Hiện nay, với

sự tiến bộ của công nghệ khai thác (công nghệ khoan, bơm, …) cũng như nhu cầu

dùng nước ngày càng tăng của con người, nước ngầm đang bị khai thác quá mức,

vượt quá giới hạn nguồn tự nhiên Điều này dẫn đến nhiều hệ lụy khác nhau, như: ô

nhiễm nguồn nước, xâm nhập mặn, giảm về lượng và chất nguồn nước ngầm, …

trong đó sự sụt, lún đất do khái thác nước ngầm quá mức là vấn đề cần quan tâm, nhất

là ở các thành phố lớn, vùng châu thổ đông dân cư trên thế giới

Hiện tượng sụt, lún đất do khai thác quá mức nước ngầm diễn ra tại nhiều nơi

trên thế giới Các sự cố về sụt, lún được ghi nhận tại New Orleans, Arizona, Nevada,

Texas, California – Hoa Kỳ (Hình 1.1và Hình 1.2); Bangkok – Thái Lan; Suzhou –

Trung Quốc; Osaka – Nhật Bản; Jakarta – Indonesia (Hình 1.3),… đều liên quan đến

khai thác quá mức nước ngầm Điều này kéo theo lũ lụt cục bộ, ngập úng đô thị, làm

biến dạng hư hỏng các công trình xây dựng

Hình 1.1 Khai thác nước ngầm khu vực gần hồ Lucerne Lake, trong mùa khô tại San

Bernardino County, Mojave Desert, California làm sụt nền đất, gây nứt lòng hồ.

Nguồn: https://www.usgs.gov/

Trang 22

Trang 2 Hình 1.2 Sụt lún đất tại San Joaquin Valley, California (Nguồn: https://phys.org/news/)

Hình 1.3 Gần 40% thành phố Jakarta, Indonesia chìm dưới mực nước biển, hậu quả

của việc khai thác nước ngầm, gây ngập lụt nghiêm trọng (The New York Times, 2017)

Nguồn: https://storymaps.arcgis.com/

Tại TP Hồ Chí Minh, hiện nay có khoảng 100.000 giếng khoan khai thác nước

ngầm có đường kính và độ sâu khác nhau, phân bố không đều trên các khu vực với

tổng lượng khai thác nước ngầm là 710.000 m3/ngày, trong đó 355.000 m3/ngày do các hộ khai thác đơn lẻ, các đơn vị, doanh nghiệp khai thác 225.000 m3/ngày, còn lại

là Tổng công ty Cấp nước Sài Gòn (SAWACO) [1] Khối lượng khai thác này đã gần

tiệm cận với trữ lượng khai thác an toàn và có nguy cơ thiếu an toàn Hiện tượng lún

xảy ra nghiêm trọng, cụ thể: tại phường An Lạc, quận Bình Tân (TPHCM) trong 12

năm lún tới 81,4 cm Đây cũng là nơi có tốc độ lún lớn nhất, lên tới 6,78 cm/năm [2],

tại Quận 6 là từ 10÷15 cm, Quận 1 là từ 15÷20 cm, thậm chí tại Quận 2 và 7 là hơn

20 cm tại thời điểm ghi nhận một số vị trí trong năm 2003 và 2004 [3]

Trang 23

Đối với khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), hoạt động khai thác

nước ngầm diễn ra phức tạp gây sụt lún đất nghiêm trọng, đặc biệt ở những vùng hoạt động sản xuất, sinh hoạt phụ thuộc nhiều vào tài nguyên nước dưới đất Theo nghiên

cứu về tình trạng lún do khai thác nước ngầm vừa được thực hiện, nếu tình trạng khai

thác nước ngầm vẫn tiếp tục tăng cao như hiện nay, cho đến năm 2100, ĐBSCL có

thể lún trung bình 68 cm đến 100 cm phụ thuộc vào mức khai thác nước ngầm [4]

Sự biến động của mực nước ngầm dẫn đến sụt lún nền và công trình xây dựng đã và đang tiếp diễn tại các thành phố lớn Vì vậy, nghiên cứu thiết lập mối tương

quan giữa hạ thấp cao độ mực nước ngầm và sụt lún nền sẽ giúp đưa ra những qui

hoạch và phương thức quản lý hợp lý, nhất là trong bối cảnh của sự đô thị hóa như

hiện nay

Cùng với sự phát triển của công nghệ, các mô hình toán số dùng để giải quyết

bài toán sụt lún đất đã ra đời, một trong những mô hình đó là bộ phần mềm GeoStudio,

mà cụ thể là phần mềm con SIGMA/W, do công ty GEOSLOPE International Ltd

(Canada) phát triển

Nghiên cứu sự lún mặt đất khi khai thác nước ngầm bằng mô hình toán (giải

tích và toán số) Áp dụng vào một khu vực cụ thể thuộc ĐBSCL

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu độ sụt lún mặt đất khi khai thác nước ngầm

bằng mô hình toán (giải tích và toán số)

- Phạm vi nghiên cứu: Vùng Đồng bằng sông Cửu Long

- Cơ sở lý thuyết về nước dưới đất, giếng khai thác nước ngầm và biến dạng lún

- Cơ sở lý thuyết của phần mềm SIGMA/W

- Nghiên cứu đề xuất một biểu thức giải tích cho phép ước tính độ lún mặt đất do

khai thác nước ngầm

- Ứng dụng phần mềm SIGMA/W vào nghiên cứu một số bài toán cơ bản khi khai

thác nước ngầm và lún mặt đất

- Ứng dụng phần mềm SIGMA/W vào nghiên cứu độ lún mặt đất do khai thác

nước ngầm tại một khu vực cụ thể thuộc ĐBSCL

Các phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng trong đề tài này bao gồm:

- Phương pháp kế thừa: kế thừa kết quả nghiên cứu của các đề tài, dự án trên

thế giới cũng như tại Việt Nam liên quan đến dòng thấm nước dưới đất cũng

như vấn đề sụt lún đất do khai thác nước ngầm

- Phương pháp thu thập, tổng hợp thống kê tài liệu nghiên cứu trước đây

- Phương pháp mô hình toán giải tích và toán số

Trang 24

Trang 4

TOÁN SỐ

2.1 Thủy lực giếng khai thác nước ngầm [5], [6]

2.1.1Trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh

2.1.1.1Tầng thấm nước có áp

Xét giếng hoàn chỉnh bán kính r0 được khoan tới tận tầng không thấm của một

tầng thấm nước có áp đồng chất, đẳng hướng có chiều dày B và độ dẫn suất thuỷ lực

S0 - độ hạ thấp mực nước trong giếng S - độ hạ thấp mực nước tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r

Hình 2.1 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh – tầng thấm nước có áp

Theo [5], sử dụng các giả thiết của Dupuit, phương trình tổng quát xác định lưu

lượng bơm Q (hệ toạ độ cực, lỗ khoan là gốc) tại một khoảng cách r bất kỳ như sau:

Trang 25

 1 

(2-2)

Trong đó:

Q (m³/s) là lưu lượng bơm từ giếng;

r (m) là bán kính tính từ tâm giếng đến vị trí đo áp;

H (m) là cột nước đo áp tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r;

H1 (m) là cột nước đo áp ban đầu;

H0 (m) là cột nước đo áp trong giếng;

2.1.1.2Tầng thấm nước không áp

Xét giếng hoàn chỉnh bán kính ro được khoan tới tận tầng không thấm của một

TTN không áp đồng chất, đẳng hướng có chiều dày B và ĐDSTL K (Hình 2.2).

Trang 26

Trang 6

Q - lưu lượng bơm từ giếng r - bán kính tính từ tâm giếng đến vị trí đo áp

R1 - bán kính ảnh hưởng d - khoảng cách tính từ MĐTN đến đường mực nước ban đầu H0 - cột nước đo áp trong giếng H - cột nước đo áp tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r H1 - cột nước đo áp ban đầu B - bề dày tầng thấm nước; r0 - bán kính giếng

S0 - độ hạ thấp mực nước trong giếng S - độ hạ thấp mực nước tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r

Hình 2.2 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn hoàn chỉnh – tầng thấm nước không áp

Theo [5], sử dụng các giả thiết của Dupuit, phương trình tổng quát xác định lưu

lượng bơm Q (hệ toạ độ cực, lỗ khoan là gốc) tại một khoảng cách r bất kỳ như sau:

(2-4)

Trong đó:

Q (m³/s) là lưu lượng bơm từ giếng;

Trang 27

r (m) là bán kính tính từ tâm giếng đến vị trí đo áp;

H (m) là cột nước đo áp tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r;

H1 (m) là cột nước đo áp ban đầu;

H0 (m) là cột nước đo áp trong giếng;

2.1.2Trường hợp giếng đơn không hoàn chỉnh

2.1.2.1Tầng thấm nước có áp

Xét giếng đơn không hoàn chỉnh bán kính r0ở tầng thấm nước có áp đồng chất, đẳng hướng (Hình 2.3)

Theo [6], đối với giếng đơn không hoàn chỉnh, tầng thấm nước có áp, phương

pháp Girinski để xác định lưu lượng bơm từ giếng Q như sau:  Khi chiều dài phần tác dụng của ống lọc: l < 0,3B

002, 73

 Khi chiều dài phần tác dụng của ống lọc: l > 0,3B

02, 73

l (m) là chiều dài phần tác dụng của ống lọc;

S0 (m) là độ hạ thấp mực nước trong giếng;

r0 (m) là bán kính giếng;

B (m) là bề dày tầng thấm nước;

R1 (m) là bán kính ảnh hưởng;

  và A = f(α) được xác định bằng đồ thị ở Hình 2.4

Trang 29

2.1.2.2Tầng thấm nước không áp

Xét giếng đơn không hoàn chỉnh bán kính r0 ở tầng thấm nước không áp đồng

chất, đẳng hướng (Hình 2.5)

Q - lưu lượng bơm từ giếng r - bán kính tính từ tâm giếng đến vị trí đo áp

R1 - bán kính ảnh hưởng d - khoảng cách tính từ MĐTN đến đường mực nước ban đầu H0 - cột nước đo áp trong giếng H - cột nước đo áp tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r H1 - cột nước đo áp ban đầu B - bề dày tầng thấm nước; r0 - bán kính giếng

l - chiều dài phần tác dụng của ống lọc M - khoảng cách từ đáy TCN đến điểm giữa đoạn ống lọc có tác dụng S0 - độ hạ thấp mực nước trong giếng S - độ hạ thấp mực nước tại vị trí cách tâm giếng một khoảng cách r

Hình 2.5 Sơ đồ tính trường hợp giếng đơn không hoàn chỉnh – tầng thấm nước không áp

Theo [6], đối với giếng đơn không hoàn chỉnh, tầng thấm nước không áp,

phương pháp B.Đ Babuskin để xác định lưu lượng bơm từ giếng Q như sau:

 Khi chiều dài ống lọc đặt từ mực nước tĩnh ban đầu nhưng chỉ có l < 0,3H1của ống lọc có tác dụng:

00

Trang 30

l (m) là chiều dài phần tác dụng của ống lọc;

S0 (m) là độ hạ thấp mực nước trong giếng;

  và A = f(α) được xác định bằng đồ thị ở Hình 2.4

2.1.3Trường hợp nhiều giếng khai thác hoạt động đồng thời

Xét trường hợp nhiều giếng hoạt động đồng thời (Hình 2.6), thông số như sau:  n giếng hoàn chỉnh có bán kính roi và lưu lượng Qpi khác nhau

 Khoảng cách ri từ mỗi giếng đến điểm M (giếng quan trắc)

Trang 31

H01, H02,…, H0n - cột nước đo áp trong giếng 1, 2, …, n H - cột nước đo áp tại vị trí M

Hình 2.6 Mô hình nhiều giếng khai thác hoạt động đồng thời

Theo [5], công thức tính cột nước đo áp H và lưu lượng Q của các giếng được

Trang 32

Trang 12

HM (m) là cột nước đo áp tại vị trí M;

H1 (m) cột nước đo áp ban đầu;

Tương tự như đối với tầng thấm nước có áp, các công thức tính độ hạ thấp mực

nước cho tầng thấm nước không áp, nhiều giếng hoạt động đồng thời, như sau:

r r  r (m) là khoảng cách tính từ tâm giếng đến vị trí điểm đo áp M;

HM (m) là cột nước đo áp tại vị trí M;

H1 (m) cột nước đo áp ban đầu;

Theo [8], lý thuyết về cố kết một chiều của một lớp đất sét được đưa ra bởi

Terzaghi (1925) là cơ sở để giải quyết nhiều bài toán cơ học đất thực tế và các vấn đề

lún Lý thuyết này thường được sử dụng để ước tính mức độ và tốc độ lún sẽ xảy ra

trong các lớp sét (đất hạt mịn) dưới mỗi sự thay đổi trạng thái ứng suất Theo lý

thuyết, kết quả nén chặt từ thoát nước chậm trong lỗ rỗng chuyển dần sang ứng suất

từ các nước lỗ rỗng đến cấu trúc hạt trầm tích (Hình 2.7) Trong việc phát triển lý

thuyết cố kết của ông vào năm 1925, Terzaghi cũng giới thiệu các nguyên tắc ứng

suất hữu hiệu được đưa ra dưới đây:

(2-16) trong đó:  là ứng suất hữu hiệu (T/m' 2);

 là tổng ứng suất (T/m2); u là áp lực nước lỗ rỗng (T/m2)

Trang 33

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa ứng suất tổng, ứng suất có hiệu và áp lực nước lỗ rỗng

Các tầng cách nước có độ dẫn thủy lực thấp, thoát nước dọc, điều chỉnh áp lực

lỗ rỗng thấp và phụ thuộc thời gian Năm 1925, Terzaghi có phương trình cố kết một

chiều được mô tả như sau:

 là trọng lượng riêng của nước (T/m3); u là áp lực lỗ rỗng trong sét (T/m2)

2.2.2Công thức tính toán lún do khai thác nước dưới đất

Lún mặt đất xảy ra khi bơm hút nước ngầm nói chung bao gồm lún của lớp cát

và lún lớp sét Lớp sét đóng góp một phần lớn trong tổng số lún của chỉ tiêu cơ lí đất

và tính toán dựa trên lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi Để tính toán nén của

lớp đất, những thay đổi cột nước đo áp phải được tính toán từ mô hình nước dưới đất

và dữ liệu đầu vào là điều kiện biên để giải phương trình (2-17) để tìm sự phân bố áp

lực lỗ rỗng trong lớp đất sét giáp với tầng chứa nước bị khai thác ( [8])

2.2.2.1Lún của các lớp sét (tầng cách nước)

- Độ lún ổn định S

Độ lún ổn định S tại một điểm sẽ gồm các thành phần như sau: S    , ScSiSs

trong đó: Sc là độ lún cố kết sơ cấp cuối cùng, Si là độ lún tức thời, Ss là độ lún cố kết

thứ cấp (theo [9])

Trang 34

Trang 14

 Lún cố kết sơ cấp Sc

Theo [9], lún cố kết sơ cấp của các lớp sét trong điều kiện nén lún một chiều,

Soed, có thể được theo tính theo lý thuyết cố kết Terzaghi như sau: Đối với đất cố kết thường

là ứng suất bản thân hữu hiệu (kN/m²);

là ứng suất tiền cố kết (kN/m2) Tham khảo kết quả khảo sát địa chất nhiều

công trình trong vùng Đồng bằng sông Cửu Long, thì có thể lấy

      trong đó:  là gia tăng của ứng suất tổng do tĩnh tải v

gây ra bởi trọng lượng của đất Trong trường hợp tính toán không xét đến tải trọng

ngoài nên   , uv 0 0 là áp lực nước lỗ rỗng ở thời điểm ban đầu, uf là áp lực nước

lỗ rỗng ở thời điểm cuối cùng

Có thể thấy rằng uf u0 đối với nền tự nhiên có áp lực nước dưới đất phân bố

theo thủy tĩnh và uf u0 trong trường hợp mực nước dưới đất bị hạ thấp do khai thác

nước dưới đất quá mức

Độ lún sơ cấp cuối cùng được Scđược tính toán từ Soed như sau:

'0

Trang 35

trong đó:  là hệ số có thể lấy từ 1,0 đến 0,8 Đối với trường hợp gia tải thì lấy c

0,8 và đối với trường hợp cố kết một chiều chỉ do bơm hút nước dưới đất thì lấy bằng

1,0 [8].

 Lún tức thời Si

Lún tức thời do sét yếu bão hòa có thể tính toán theo lý thuyết dẽo với giá trị

không thoát nước của mô đun biến dạng (E) và hệ số Poisson () Lún tức thời của

nền có thể ước tính theo độ lún một chiều như sau: Si  1 cSoed [8]

 Lún cố kết thứ cấp Ss

Độ lún thứ cấp Ss là do biến dạng thứ cấp của đất dưới một ứng suất hữu hiệu

không đổi, xảy ra sau quá trình phân tán nước lỗ rỗng thặng dư (cố kết sơ cấp) Đối với trường hợp lún do khai thác nước ngầm, trong quá trình xảy ra lún cố

kết thì lún thứ cấp là không đáng kể có thể bỏ qua, Ss ~ 0 [8] - Độ lún theo thời gian St

Theo [9], lún cố kết theo thời gian có thể tính toán từ độ lún ổn định S, tương ứng với mức độ cố kết theo phương đứng Uv (xem như bài toán lún cố kết 1 chiều

theo phương đứng) như sau: St Uv S

Độ lún cố kết theo phương thẳng đứng là hàm của nhân tố thời gian Uv = f(Tv)

[11] và được tính theo các công thức sau:  Khi độ cố kết Uv từ 0% đến 60% thì

24 100

 Khi độ cố kết Uv lớn hơn 60% thì Tv 1, 781 0,933log 100  Uv

 Nhân tố thời gian theo công thức sau: 2

2.2.2.2Lún của lớp cát (tầng chứa nước)

Theo định nghĩa, hệ số tích chứa Ss chỉ thể tích nước lấy ra (hay thêm vào) khi

có sự giảm (hay tăng) một đơn vị cột nước thấm trên một đơn vị bề mặt của TTN: Δe

sVS

Trang 36

Với giả thiết thể tích nước khai thác được Ve tỉ lệ thuận với độ lún mặt đất B

và sự lún xảy ra đồng đều trên toàn diện tích khai thác A: Δ

từ (2-24) và (2-25) suy ra độ lún mặt đất B: Δ

(2-26) là biểu thức giải tích đơn giản cho phép ước tính nhanh độ lún mặt đất

khi biết lượng nước ngầm khai thác Ve thông qua các giếng giống nhau để gây ra độ

2.2.2.3Tổng độ lún của đất khi khai thác nước ngầm

Lún mặt đất tại một điểm trên mặt đất là tổng nén lún của tầng chứa nước và

lớp sét bên trên tại mọi thời điểm là:

Phần mềm tính ứng suất biến dạng SIGMA/W là một trong những phần mềm

con thuộc bộ phần mềm GeoStudio của công ty GEOSLOPE International Ltd –

Canada GeoStudio gồm có các môđun chính như sau:

 SLOPE/W – phần mềm tính toán ổn định mái dốc;  SIGMA/W – phần mềm tính ứng suất biến dạng;  SEEP/W – phần mềm tính thấm;

 CTRAN/W – phần mềm phân tích quá trình vận chuyển ô nhiễm;



Trang 37

 TEMP/W – phần mềm phân tích địa nhiệt;

 QUAKE/W – phần mềm phân tích ảnh hưởng động đất

Trong đó, phần mềm con (môđun) SIGMA/W được dùng để phân tích ứng suất

– biến dạng trong môi trường đất đá theo phương pháp Phần tử hữu hạn Các tính

năng nổi trội của SIGMA/W có thể kể đến như sau:

 Phân tích được các bài toán biến dạng phẳng, đối xứng trục theo lý thuyết

chuyển vị - biến dạng nhỏ về nền móng, khối đắp, hố móng, tunen

 Đánh giá quá trình gia tăng áp lực nước lỗ rỗng khi chất tải và quá trình

tiêu tán của nó theo thời gian

 Tích hợp với SEEP/W để giải bài toán cố kết thấm, với SLOPE/W để đánh

giá ổn định tổng thể và cục bộ của mái dốc theo ứng suất phân tố, với

CTRAN/W để phân tích ô nhiễm nước dưới đất Đây chính là khả năng tích

hợp giữa SIGMA/W với các môđun khác nhau để mở rộng khả năng giải

quyết các loại bài toán khác nhau có thể gặp trong thực tế, là điểm mạnh lớn

nhất của SIGMA/W nói riêng và bộ phần mềm GeoStudio nói chung

2.3.1.2Phần mềm Plaxis

Phần mềm Plaxis được phát triển từ năm 1987 tại Đại học công nghệ Delff - Hà

Lan Phiên bản Plaxis V.1 ban đầu được thành lập nhằm mục đích phân tích các bài

toán ổn định đê biển và đê sông tại các vùng bờ biển thấp tại Hà Lan

Đến năm 1993 Công ty Plaxis BV được thành lập và từ năm 1998, các phần

mềm Plaxis đều được xây dựng theo phần tử hữu hạn

Phần mềm Plaxis được trang bị các tính năng đặc biệt để giải quyết một số khía

cạnh của các kết cấu địa kỹ thuật phức tạp Chương trình này dùng để tính toán các

bài toán về mái dốc, hố đào, hầm (tunnel), đường hầm giao thông, đường hào kỹ thuật

(collector), đường tàu điện ngầm và các dạng công trình ngầm khác

Hiện nay bộ Plaxis gồm các môđun sau:

 Plaxis 2D: dùng phân tích lún của móng, phân tích quá trình thi công hố đào, phân tích biến dạng chuyển vị của đê sông Plaxis 2D kết hợp môđun

Dynamics dùng phân tích động của móng máy trên nền đàn hồi, phân tích đóng cọc, phân tích bài toán địa kỹ thuật có xét ảnh hưởng của động đất  Plaxis PlaxFlow: dùng phân tích bài toán thấm ổn định, không ổn định

trong môi trường bão hòa, không bão hòa và điều kiện biên thay đổi theo thời

gian PlaxFlow có thể tích hợp với Plaxis 2D để phân tích bài toán về biến

dạng và ổn định có xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và dòng thấm  Plaxis 3D Tunnel: dùng phân tích quá trình thi công hầm theo công nghệ

NATM, đánh giá ổn định của đường hầm chịu áp đào trong khiên, đánh giá ổn định của hố đào chống đỡ bằng tường cừ

 Plaxis 3D Foundation: dùng phân tích bài toán móng bè, phân tích sức

chịu tải của cọc khoan nhồi

Trang 38

Trang 18 2.3.1.3Phần mềm Abaqus

Abaqus là phần mềm có nhiều tính năng đặc biệt, được lập trình trên cơ sở

phương pháp phần tử hữu hạn Abaqus giải quyết được nhiều vấn đề về ứng suất -

biến dạng, chuyển vị trong kết cấu, sự làm việc của đất nền dưới tác dụng khác nhau

của tải trọng

Abaqus có hai mô đun chính Abaqus/Standard và Abaqus/Explicit; hai môđun

phụ dùng phân tích cho trường hợp đặc biệt Abaqus/Aqua và Abauqs/Design

Abaqus/CAE (Complete Abaqus Enviroment) là khối giao tiếp với người dùng, làm

công tác tiền xử lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính, điều kiện biên, phân chia

mạng lưới Abaqus /Viewer dùng để tiến hành phân tích và xử lý kết quả

2.3.1.4Phần mềm GEO5

Bộ phần mềm GEO5 của hãng Fine.Ltd – Cộng hòa Séc bao gồm hơn 20 các

chương trình con, riêng biệt song có liên hệ chặt chẽ với nhau, được thiết kế để giải

quyết một loạt các bài toán về địa kỹ thuật phổ biến như ổn định mái dốc, mố cầu, rọ đá, tường chắn đất dạng bản, móng nông, móng cọc, độ lún, … Ngoài ra, Bộ phần

mềm này cũng có thể dùng cho các ứng dụng có mức độ phức tạp cao như phân

tích đường hầm, đánh giá mức độ nguy hiểm của công trình do thi công đường hầm, ổn định của mái dốc đá…

Bộ phần mềm GEO5 gồm có rất nhiều module (chương trình con) phục vụ các

công tác như: (1) Phân tích Địa kỹ thuật bằng phương pháp Phần tử hữu hạn, (2) Thiết

kế móng, (3) Thiết kế Tường vây, cọc cừ (dạng tường tấm), (4) Thiết kế tường chắn đất (dạng Tường trọng lực), (5) Phân tích ổn định của mái đất, đá, (6) Các kết cấu

công trình ngầm Trong đó, module Settlement được dùng để tính toán độ lún của nền đất

2.3.2Lựa chọn mô hình toán số

Như đã đề cập ở Chương 1, vấn đề lún do khai thác nước ngầm nhận được sự

quan tâm rất lớn từ cộng đồng các nhà khoa học cũng như các tổ chức chính phủ, phi

chính phủ Có nhiều đề tài, báo cáo nghiên cứu về lún do khai thác nước ngầm trên

thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, đặc biệt là khu vực ĐBSCL (Bảng 2.1)

Bảng 2.1 Một số đề tài nghiên cứu về hạ thấp mực nước ngầm và sụt lún do khai thác

nước ngầm tại Việt Nam và thế giới

Trang 39

TT Tên đề tài nghiên cứu,

báo cáo Tác giả Khu vnghiên ực cứu

Phương pháp/

Mô hình

1

Numerical evaluation of land subsidence induced by groundwater pumping in Shanghai

Shui-Long Shen and Ye-Shuang Xu

Thượng

Hải Mô hình toán s(FEM) của tác giả ố

2

Interpretation of increased deformation rate in aquifer IV due to groundwater pumping in Shanghai

Shuilong Shen, Lei Ma, Yeshuang

Xu, Zhenyu Yin

groundwater development

Pham Huy Giao and E Ovaskainen

TP Hà Nội

Laura E Erban, Steven M Gorelick,

Howard A Zebker, and Scott Fendorf

(USA)

Khu vực ĐBSCL

Peter Vermeulen, Nguyen Hong Quan, Nguyen Dinh Giang

Nam, Pham Van Hung, Nguyen Tien

Tung, Tong Viet Thanh, Rien Dam

Khu vực ĐBSCL

P S J Minderhoud, G Erkens, V H Pham, V T Bui, L Erban, H

Kooi and E Stouthamer

Khu vực ĐBSCL

Thuỷ lực: iMOD (dựa

trên MODFLOW) Lún: module SUB-CR tích hợp vào

iMOD

Trang 40

Trang 20

TT Tên đề tài nghiên cứu,

báo cáo Tác giả Khu vnghiên ực cứu

Phương pháp/

Mô hình

7

Groundwater extraction may drown mega-delta: projections of extraction-induced subsidence and elevation of the Mekong delta for the 21st century

P S J Minderhoud, H Middelkoop, G

Erkens và E Stouthamer (Hà

Lan)

Khu vực ĐBSCL

Thuỷ lực: iMOD

(dựa trên

MODFLOW) Lún: module SUB-CR tích hợp

vào iMOD

8

Hiện trạng khai thác nước

dưới đất và mối tương

quan giữa hạ thấp cao độ

Thơ

Mô hình giải tích

9

Các dự án Điều tra, xác định vùng hạn chế khai

thác nước dưới đất của

Từ Bảng 2.1, nhận thấy các đề tài nghiên cứu, báo cáo trước đây chưa (hoặc rất

ít) sử dụng bộ phần mềm GeoStudio để tính toán, trong khi đây là một bộ phần mềm

mạnh, có thể kết hợp nhiều module lại trong 01 bài toán (cụ thể là module SEEP/W

và SIGMA/W để tính lún do khai thác nước ngầm)

Với mong muốn đem đến một cách tiếp cận vấn đề khác bổ sung cho các công

trình nghiên cứu trước đây, cũng như có thêm một kết quả để kiểm định (lại) các kết

quả đã được tính toán, lựa chọn mô hình toán số là bộ phần mềm GeoStudio mà cụ

thể là 02 module SIGMA/W và SEEP/W

2.3.3Cơ sở lý thuyết mô hình GEO SIGMA/W [13], [14]

SIGMA/W giải phần tử hữu hạn bằng phương pháp thế năng, số dư trọng số,

tham biến của: Bathe (1982), Smith and Griffiths (1988), Segerlind (1984) và

Zienkiewicz and Taylor (1989)

2.3.3.1Các phương trình chủ đạo sử dụng trong SIGMA/W

 Hệ phương trình cân bằng tĩnh: