Đánh giá khả năng lún mặt đất do khai thác nước ngầm khu vực Tây Nam Hà Nội theo tài liệu quan trắc tại các trạm đo lún

Nội dung chính bài viết trình bày khả năng lún gây ra thiệt hại về nhà cửa và cơ sở hạ tầng. Rất khó để ước tính chính xác vì quá trình này rất phức tạp và không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của đất mà còn các yếu tố khác nhau như tốc độ bơm, sự thay đổi áp lực lỗ rỗng và mô đun biến dạng của đất, v.v ... Để có được ước tính chính xác hơn về khả năng sụt lún đất do bơm nước ngầm ở phía Tây Nam Hà Nội, các tác giả giới thiệu phương pháp sử dụng mối quan hệ giữa thông số tích hợp địa kỹ thuật và dữ liệu giám sát sụt lún đất.

Tài liệu tham khảo R Veldhuijzen Van Zanten Geotextiles and Geomembranes in Civil Engineering John Willey & Son New york/Toronto 1986 J Pierre Giroud Introduction aux Ge otextiles Dunod Paris 1981 N.N.Maslov Basic Engineering Geology and Soil Machanics Mir Publisher Moscow 1987 I.V Popov Địa chất cơng trình (tiếng Nga) NXB Đại học, Matxcơva 1959 - Đánh giá khả lún mặt đất khai thác nước ngầm khu vực Tây Nam Hà Nội theo tài liệu quan trắc trạm đo lún Trần Mạnh Liểu1, Lê Chí Hưng1 Đồn Huy Hiên2, Dương Thị Toan2 Estimation of ability of land subsidence due to over pumping ground water in the South-West of Hanoi base on land subsidence monitoring data at land subsidence stations Abstract: Land subsidence due to over pumping ground water in the South-West of Hanoi have been a serious problem It has been causing the damage of houses and infrastructures It is very difficult to estimate accurately because this process is very complicated and depends on not only soil characteristic itself but also various factors such as pumping rate, the changing of pore pressure and modulus of deformation of soils etc In order to obtain more accurate estimation of ability of land subsidence due to over pumping ground water in the South-West of Hanoi, the authors introduce the method using the relationship between geotechnical integrated parameter and land subsidence monitoring data Đặt vấn đề Ngô Sỹ Liên: 31,08mm/năm; Mai Dịch: Lún mặt đất (LMĐ) khu vực Hà Nội 2,3mm/năm; Thành Công: 35,6 mm/năm khai thác nước đất (NDĐ) theo số liệu Ngọc Hà 1,3 mm/năm) phụ thuộc nhiều quan trắc trạm đo lún tương đối lớn, vào nhiều yếu tố như: Giá trị hạ thấp mực dao động khoảng rộng (tại trạm Pháp nước, cấu trúc nền, thành phần tính chất Vân: 16,95 mm/năm; Hạ Đình: 16,9 mm/năm; lý lớp đất, vv Quá trình lún mặt đất hạ thấp mực nước ngầm không Viện khoa học công nghệ xây dựng, Bộ xây dựng, Nghĩa Tân, Cầu Giấy Hà Nội Tel: 0913008946, Fax: 04-8361197 Email: tmlieu@hn.vnn.vn Trường đại học Khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội 334 Nguyễn Trãi , Hà Nội cố kết thấm mà bao gồm cố kết từ biến vv Vì tốn tính lún hạ thấp mực nước ngầm theo mơ hình tiềm định gặp nhiều khó khăn Bài báo giới thiệu phương pháp đánh giá khả lún mặt đất khai thác nước ngầm theo hợp yếu tố điều kiện ĐKT tiến hành tiêu tích hợp yếu tố điều kiện địa kỹ sở phân tích, tổng hợp yếu tố điều thuật (ĐKT) sở phân tích định lượng kiện ĐKT ảnh hưởng đến LMĐ khai thác vai trò yếu tố theo số liệu quan nước ngầm, mối quan hệ yếu tố trắc trạm đo lún khu vực Tây Nam mối quan hệ yếu tố thành phố Hà Nội với q trình LMĐ theo số liệu quan Cơ sở lý thuyết phương pháp trắc định kỳ trạm Q trình phân tích Phương pháp phân vùng định lượng khả đánh giá tiến hành theo bước LMĐ khai thác NDĐ theo tiêu tích hình Lựa chọn hàm mục tiêu yếu tố điều kiện ĐKT ảnh hưởng đến LMĐ khai thác NDĐ Định lượng hoá yếu tố điều kiện ĐKT Xác định tỷ trọng tham số điều kiện ĐKT Xây dựng mơ hình trường biến đổi tham số điều kiện ĐKT Xây dựng mạng lưới tính tốn sở Chuẩn hóa tham số điều kiện ĐKT Tính tốn tham số định lượng điều kiện ĐKT mạng Tính tốn tiêu tích hợp yếu tố điều kiện ĐKT Xây dựng mơ hình trường biến đổi tham số điều kiện ĐKT Xây dựng mơ hình trường biến đổi tiêu tích hợp Tính hệ số tương quan cặp đôi tham số điều kiện ĐKT Xác định hệ số chuẩn (1, (2 …(n Xác định hệ số tương quan nhiều chiều R2= r1y(1+r2y(2+…rny(n Tính tốn tỷ trọng tham số điều kiện ĐKT IΣ Phân vùng định lượng khả LMĐ theo tiêu tích hợp yếu tố điều kiện ĐKT Hình Sơ đồ trình phân vùng định lượng khả LMĐ khai thác NDĐ theo tiêu tích hợp yếu tố điều kiện ĐKT Để nghiên cứu trình LMĐ, hàm mục tiêu chọn đại lượng tổng độ lún theo thời gian (S) vận tốc LMĐ trạm (Vs) Các yếu tố điều kiện ĐKT định đến trình LMĐ khai thác nước ngầm khu vực Tây Nam thành phố Hà Nội lựa chọn gồm nhóm: động lực nước (chiều sâu hạ thấp mực nước ngầm tốc độ hạ thấp mực nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng tốc độ biến đổi áp lực nước lỗ rỗng) đặc điểm đất (thành phần thạch học phân vị địa tầng, modun tổng biến dạng chiều dày tầng đất yếu) Tất yếu tố có ảnh hưởng liên hệ với trình LMĐ, yếu tố có mối quan hệ cặp đôi định Như hàm mục tiêu S(Vs) hàm số yếu tố điều kiện ĐKT (Xi): S(Vs) = f(X1, X2,…Xn) Từ số liệu quan trắc trạm hồn tồn xác định hệ số liên hệ trình lún với yếu tố điều kiện ĐKT yếu tố điều kiện ĐKT với Trên sở xác định tỷ trọng yếu tố điều kiện ĐKT tham gia vào trình LMĐ khả LMĐ điểm mặt đất khu vực nghiên cứu đánh giá theo công thức: IΣ   gi R H i i i kiện ĐKT, gi - tỷ trọng yếu tố điều kiện ĐKT thứ i, RiH - tham số định lượng yếu tố điều kiện ĐKT thứ i chuẩn hóa Trong trường hợp cụ thể khu vực Tây Nam thành phố Hà Nội, lựa chọn: - Hàm mục tiêu vận tốc LMĐ trạm (Vs mm/năm) tính tổng độ lún năm Các yếu tố động lực nước bao gồm: - Chiều sâu mực nước ngầm: Cao độ mực nước ngầm kiệt năm trạm đo lún (H) - Tốc độ biến đổi áp lực nước lỗ rỗng  ΔU i=1 n Th = m (2) i i=1 Trong mi γsi - chiều dầy khối lượng riêng lớp đất thứ i, n số lớp đất có chiều sâu cần khảo sát đến - Mô đun tổng biến dạng (E kG/cm2) phân vị địa tầng, đất có nhiều lớp E tính trung bình : n E m i E = i i=1 n m (3) i i=1 (1) Trong I  - tiêu tích hợp yếu tố điều Trong mi Ei chiều dầy mô đun tổng biến dạng lớp đất thứ i, n số lớp đất chiều sâu cần tính tốn - Chiều dày lớp đất yếu (B m) Xác định tỷ trọng tham số điều kiện ĐKT tính toán sau: Kiểm tra giả thuyết phù hợp phân bố đại lượng xem xét với luật phân phối chuẩn; Tính tốn hệ số tương quan cặp đôi tất tham số xem xét (ri) xây dựng ma trận chúng; Tính hệ số tiêu chuẩn hố ( 1 ,   p ); Trong ( 1 ,   p ) nghiệm hệ phương trình sau: i i=1 r1 y  1   r21    p rp1 r2 y  1r12      p rp (Ui - thay đổi áp lực nước lỗ rỗng lớn năm (có đầu đo áp lực nước lỗ rỗng độ sâu khác nhau) Các yếu tố cấu trúc tính chất lý đất đá bao gồm: - Thành phần thạch học (Th g/ cm3) n m γ p i 1 ΔU= phân vị địa tầng đặc trưng khối lượng riêng đất, đất có nhiều lớp đặc trưng thành phần thạch học lấy khối lượng riêng trung bình: (4) … … rpy  1r1 p   r2 p    p Với rij hệ số tương quan yếu tố điều kiện ĐKT thứ i j, riy hệ số tương quan yếu tố điều kiện ĐCCT thứ i hàm mục tiêu K Tính tốn hệ số tương quan nhiều chiều R p  r R2= i 1 (5) i yi Hệ số tương quan nhiều chiều cho phép xem xét tham số điều kiện ĐKT tham gia đánh giá có hợp lý hay khơng Nếu hệ số tương quan nhiều chiều R2  0.70 tham số lựa chọn chấp nhận được, hệ số tương quan nhiều chiều nhỏ (R2 15m) hệ số thấm nhỏ, trình cố kết tự nhiên đất yếu diễn tiến chậm Nếu khu vực có chiều dày lớp đất yếu lên đến (20 ( 30)m, thời gian cố kết tự nhiên xây dựng cơng trình đường đắp cao (Hđ ( 3m) cú thể lên đến hàng trăm năm Do đó, việc xử lý để tăng tốc độ cố kết vấn đề cần iz q Dw Hñy io z Hỡnh 1.- Xỏc định vựng hoạt động cố kết Dw theo điều kiện gradient thủy lực Chiều dài giếng cỏt : Lgc = Dw Hoặc là, giếng cát phải cắm đến độ sâu z đất yếu cho điều kiện ứng suất thỏa món, [1] : (vz + (z ( (1,2 ( 1,5) (pz lg  vz   z   lg  pc lg  vz   z   lg  vz  0,6 (3) với (vz - Áp lực trọng lượng thõn đất gõy độ sõu z; (z - Áp lực tải trọng đắp gõy độ sõu z; (pc - Aựp lực tiền cố kết độ sõu z Cự ly hai giếng cỏt: a = (4 ( 5).d Từ phõn tớch trờn, kết hợp với thống kờ thực tế nhiều cụng trỡnh đường đắp trờn đất yếu nay, hệ thống giếng cỏt sử dụng để xử lý đất yếu khu vực cú chiều dày lớp đất yếu khỏ lớn thường hệ thống thoỏt nước chưa hoàn chỉnh: giếng cỏt khụng cắm sõu Hỡnh 2.- Xỏc định chiều dài giếng cỏt Lgc theo điều kiện ứng suất hết chiều dày vựng đất yếu Khi giếng cỏt bố trớ khụng hết toàn chiều dày lớp đất yếu, địa chất đất khu vực Theo kinh nghiệm thực tế, chiều sõu vựng hoạt động cố kết thường chọn : Dw = (1/2 ( 2/3) Hđy ( Lgc ( (1/2 ( 2/3) Hđy Đường kớnh giếng cỏt xỏc định phạm vi: cần xử lý hỡnh thành vựng phõn biệt: - Vựng 1: Khu vực đất nằm phạm vi chiều dài giếng cỏt z ( Lgc (4) - Vựng 2: Khu vực đất nằm mũi giếng cỏt Lgc < z ( Hđy (5) d = (20 ( 60) cm (4) Hỡnh 3.- Sơ đồ hệ thống giếng cỏt khụng hoàn chỉnh Đối với đất yếu cú chiều dày khoảng (20 ( thỡ: 30)m, xõy dựng cụng trỡnh đường đắp cao - Trong vựng – Vựng mũi giếng cỏt: (Hđ ( 3m), chiều sõu vựng chịu nộn thường xấp khu vực khụng chịu ảnh hưởng giếng cỏt, xỉ chiều dày lớp đất yếu nước lỗ rỗng thoỏt theo phương đứng II SỰ VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC LỖ RỖNG - Trong vựng – Vựng cú bố trớ giếng cỏt: DƯỚI ĐẤT ĐẾN HỆ THỐNG GIẾNG CÁT nước lỗ rỗng thoỏt theo phương thẳng đứng KHễNG HOÀN CHỈNH phương xuyờn tõm Theo lý thuyết cố kết thấm K Terzaghi Tuy nhiờn, thực tế, chuyển động nước lỗ rỗng theo phương diễn tiến lo  vấn đề cần nghiờn cứu a d  Giả thiết : đú:  Đất bóo hũa đồng Lgc - chiều dài giếng cỏt  Dũng thấm nước lỗ rỗng đất Hđy - chiều dày lớp đất yếu tuõn theo định luật Darcy cho dũng bóo hũa  Hệ số thấm số: cố kết xảy thay đổi hệ số rỗng đất Xột hệ thống giếng cỏt khụng hoàn chỉnh, với: d - đường kớnh giếng cỏt a - khoảng cỏch hai tim giếng cỏt De - khoảng cỏch tớnh toỏn hai giếng cỏt Ha - chiều sõu vựng chịu nộn Đối với giếng cỏt khụng hoàn chỉnh: Lgc < Ha Tại điểm M phạm vi đất cú bố trớ giếng cỏt, Phõn tớch thành phần gradient thủy lực dũng thấm, [2]: lo - chiều dài đường thấm theo phương ngang theo phương đứng theo phương ngang Hỡnh 4.- Thành phần gradient thủy lực dũng thấm Gradient thủy lực dũng thấm xột theo phương đứng: iv  dh hM  hN U vMax    dl Lgc n Lgc ( iv  U vMax  n Lgc Gradient thủy lực dũng thấm xột theo phương ngang : ih  dh hM  hI U hMax    dl lo n lo ( ih  U hMax  n l o Do ỏp lực nước theo phương : UhM = UvM = UM ( iv  UM  n Lgc ih  UM  n l o Xột tỉ số gradient thủy lực theo phương : ih U M  n Lgc Lgc   iv  n l o U M lo (7) Do Lgc >> lo nờn gradient thủy lực theo phương ngang lớn nhiều lần gradient thủy lực theo phương đứng Phõn tớch khả thoỏt nước dũng thấm (lưu tốc dũng thấm quỏ trỡnh cố kết), [3] : Vận tốc thoỏt nước theo phương ngang : Vh = Kh.ih Vận tốc thoỏt nước theo phương đứng : Vv = Kv.iv với: Kh, Kv - hệ số thấm đất theo phương ngang theo phương đứng ih, iv - gradient thủy lực theo phương ngang theo phương đứng Xột tỉ số vận tốc thoỏt nước theo hai phương: Lgc Vh K h ih   m Vv K v iv lo (8) Trong đú , [1] : m= Ch K h   25 Cv K v Phõn tớch lưu lượng thấm (lưu lượng nước lỗ rỗng thoỏt quỏ trỡnh cố kết), [3]: Lưu lượng nước thoỏt theo phương ngang : Qh = Vh.(xq Qh = Kh ih (.d.Lgc với : (xq - diện tớch xung quanh giếng cỏt d - đường kớnh giếng cỏt Lgc - chiều dài giếng cỏt Lưu lượng nước thoỏt theo phương đứng : Qv = Vv.F  a2 d2     K v iv a  d Qv  K v iv        với: F - diện tớch thấm theo phương đứng phạm vi ảnh hưởng giếng cỏt a - cự ly hai giếng cỏt Xột tỉ số lưu lượng thấm theo phương : K h ih  d Lgc Lgc Lgc d Qh   m Qv K v iv a  d  / lo a  d     L2gc d Qh  4m Qv lo a  d   (9) Khảo sỏt vài số liệu hệ thống giếng cỏt thường sử dụng thực tế Xột trường hợp: Ch K h   , sử dụng cỏc cụng thức 7, 9, tớnh cho cỏc giếng cỏt thường Cv K v sử dụng việc xử lý đất yếu vựng Đồng Bằng Sụng Cửu Long dướiỷ cỏc cụng trỡnh đường đắp cao: d = 0,3m; d = 0,4m, thu cỏc giỏ trị: gradient thủy lực dũng thấm (ih/iv), lưu tốc dũng thấm (Vh/Vv), lưu lượng thấm (Qh/Qv) bảng Bảng Bảng so sỏnh tỉ số ih/iv, Vh/Vv, Qh/Qv d(m) 0,3 0,3 Lgc (m) 10 12 14 15 16 17 10 12 14 15 16 17 a lo ih/iv Vh/Vv Qh/Qv a = 4d 0.543 a = 5d 0,716 18,4 22,1 25,8 27,6 29,5 31,3 14,0 16,8 19,6 20,9 22,3 23,7 36,8 44,2 51,6 55,2 58,9 62,6 27,9 33,5 39,1 41,9 44,7 47,5 327,4 471,5 641,7 736,6 838,1 946,2 155,2 223,5 304,2 349,2 397,3 448,5 0,4 10 12 14 15 16 17 a = 4d 0,724 13,8 16,6 19,3 20,7 22,1 23,5 27,6 33,1 38,7 41,4 44,2 47,0 184,2 265,2 361,0 414,4 471,5 532,2 0,4 10 12 a = 5d 0,95 10,5 12,6 21,1 25,3 87,7 126,3 14,7 15,8 29,5 31,6 171,9 197,4 14 15 16 17 16,8 17,9 33,7 35,8 224,6 253,5 III NHẬN XẫT Khi đất yếu xử lý hệ thống giếng cỏt, cú Ch = 2Cv,  Gradient thủy lực theo phương ngang lớn gradient thủy lực theo phương đứng từ (10 ( 30) lần: ih = (10 ( 30) iv  Vận tốc thoỏt nước theo phương ngang lớn vận tốc thoỏt nước theo phương đứng từ (20 ( 60) lần: Vh = (20 ( 60) Vv  Lưu lượng nước thoỏt theo phương ngang lớn lưu lượng nước thoỏt theo phương đứng từ (80 ( 900) lần: Qh = (80 ( 900) Qv * Đối với đất cú tỉ số Ch/Cv lớn thỡ tỉ số Vh/ Vv Qh/ Qv cao Gọi Q - tổng lưu lượng nước thoỏt quỏ trỡnh cố kết, ta cú mối tương quan Qh Qv theo Q sau: Qh = (98,8% ( 99,9%) Q Qv = (0,1% ( 1,2%) Q Qua kết phõn tớch trờn, lượng nước lỗ rỗng đất cú xử lý giếng cỏt gia tải trước thoỏt chủ yếu theo phương ngang Do ảnh hưởng tổn thất dọc đường, lượng nước ớt thoỏt theo phương đứng khụng cũn Thực chất chuyển động chất điểm nước qua cỏc lỗ rỗng đất phức tạp Việc nghiờn cứu đặc trưng dũng thấm: lưu lượng thấm, lưu tốc thấm, tổn thất dọc đường … khụng thể hoàn toàn vào lý thuyết tỳy Để cú nhận xột quan trọng kết luận chớnh xỏc, cần cú kết tớnh toỏn cụ thể từ quỏ trỡnh nghiờn cứu trờn cỏc cụng trỡnh thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Quy Trỡnh Khảo Sỏt Thiết Kế Nền Đường ễ Tụ Đắp trờn Đất Yếu – 22TCN 262-2000 - Bộ Giao Thụng Vận Tải xuất bản, Hà Nội 2001 P.Lareal, Nguyễn Thành Long, Lờ Bỏ Lương … - Cụng trỡnh trờn đất yếu điều kiện Việt Nam.- Đại học Bỏch khoa Tp HCM, 2000 P.G.Kixelev, A.D Ansun, N.V Danhisenko,… – Sổ Tay Tớnh Toỏn Thủy Lực; 1984 R.Whitlow – Cơ Học Đất - NXB Giỏo dục - 1996 Trần thị thanh(1) Nguyễn Đức Hồng(2) Người phản biện: PGS.TS Đỗ Như Tráng; PGS.TS Nghiêm Hữu Hạnh Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam 2A Nguyễn Biểu, quận - Tp Hồ Chớ Minh Tel: 0903829867; Fax: 089238320 Email: thanhtran@hcm.fpt.vn ... hưởng đến LMĐ khai thác vai trò yếu tố theo số liệu quan nước ngầm, mối quan hệ yếu tố trắc trạm đo lún khu vực Tây Nam mối quan hệ yếu tố thành phố Hà Nội với q trình LMĐ theo số liệu quan Cơ sở... Th, E để đánh giá Lưới sở xây dựng để tính tốn đánh giá khả LMĐ khu vưc Tây nam Hà Nội LMĐ cho khu vực Tây nam Hà Nội có kích khai thác nước ngầm hợp lý Tỷ trọng thước 200m x 200m, giá trị E‟,... LMĐ theo giá trị tiêu tích hợp tính tốn giá trị hàm mục tiêu quan trắc Kết tính tốn đánh giá Trong tất trạm quan trắc trạm Ngọc Hà khơng có số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng, vậy, đề tài