NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ DỰ BÁO TAI BIẾN ĐỊA CHẤT - ĐỊA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN VĂN VŨ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ DỰ BÁO TAI BIẾN ĐỊA CHẤT - ĐỊA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ, ÁP DỤNG CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Địa chất học Mã số: 9440201.01 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT HỌC Hà Nội - 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Mạnh Liểu PGS.TS Nguyễn Huy Phương Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong lịch sử phát triển loài người, đời phát triển đô thị với quy mô lớn, đặc điểm kiến trúc mức độ đại khác Chúng tác động vào MTĐC gây nhiều hậu đến mơi trường sinh thái sống bình n người Lý thuyết hệ thống xem kim nam cho phát triển bền vững đô thị Lý thuyết phân chia hệ thống ĐKTĐT thành hợp phần MTĐC, HTKT MTXQ Chúng hệ động, tương tác với làm phát sinh nhiều trình tai biến ĐC, ĐKT, ĐKTMT Nhiều trường hợp, tai biến phát triển đan xen, đồng thời với nhau, luận án xếp chung tất loại hình tai biến q trình thị hóa tai biến ĐC – ĐKTMT đô thị Tai biến ĐC - ĐKTMT thị q trình tượng xuất phụ hệ thống MTĐC phụ hệ thống kỹ thuật đô thị hoạt động tương tác hợp phần hệ thống ĐKT hợp phần hệ thống ĐKT với mơi trường xung quanh, đe doạ trạng thái hoạt động bình thường hệ thống ĐKT thị người, môi trường sống môi trường xung quanh Hà Nội trải qua nhiều giai đoạn phát triển có điều kiện ĐC, ĐCCT – ĐKTMT phức tạp có nguy phát sinh phát triển tai biến ĐC ĐKTMT đô thị địa chất nội sinh, lún mặt đất, sụt Karst, cát chảy, xói ngầm, hóa lỏng, úng ngập, lún – nứt phá hủy cơng trình, ăn mịn điện hóa cơng trình, nhiễm mơi trường Để phát triển Hà Nội bền vững, cần nghiên cứu đồng nhiều lĩnh vực khác phục vụ cho triển khai xây dựng Trước hết lĩnh vực ĐCCT – ĐKT cần tiến hành nghiên cứu lập hệ thống sở liệu ĐC – ĐKTMT, vận dụng lý thuyết làm sáng tỏ dự báo tai biến ĐC – ĐKTMT, đồng thời phòng chống hậu chúng cách hiệu Tất vấn đề liên quan đến thị hóa tác động vào MTĐC tai biến chúng cần nghiên cứu làm sáng tỏ sở lý thuyết hệ thống, đánh giá dự báo chúng phát triển theo không gian thời gian, điều khiển vận động chúng làm hạn chế tác hại đến phát triển thủ Vì lý đó, NCS chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá dự báo tai biến địa chất – địa kỹ thuật môi trường đô thị, áp dụng cho thành phố Hà Nội’’ làm đề tài nghiên cứu luận án Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp đánh giá, dự báo tai biến ĐC - ĐKTMT đô thị, áp dụng cho thành phố Hà Nội Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài hệ thống Địa - Kỹ thuật đô thị Hà Nội (hệ thống tương tác hạ tầng đô thị với MTĐC), cấu trúc, tính chất, hoạt động hệ thống tai biến ĐC - ĐKTMT tương ứng liên quan 3.1 Phạm vi không gian: Hà Nội theo Quyết định số 1259/QĐ–TTg ngày 26 tháng năm 2011 Chiều sâu nghiên cứu: + Vùng trầm tích Đệ tứ, chiều sâu nghiên cứu đến hết tầng cuội sỏi (khoảng 50-60m) + Vùng đồi núi, chiều sâu nghiên cứu hết tầng phong hóa (khoảng 20-30m) + Các vùng ven rìa có điều kiện ĐKTMT đặc biệt (Karst), chiều sâu nghiên cứu chiều sâu phát triển tai biến (khoảng 60-70m) 3.2 Phạm vi khoa học: Tập trung nghiên cứu tai biến xây dựng cơng trình mặt, cơng trình ngầm, khai thác nước đất, tai biến ngoại sinh Hạn chế khơng nghiên cứu số tai biến có đề tài khác thực nghiên cứu bồi tụ, xói lở bờ sơng, tượng biến dạng thấm bao gồm xói ngầm, cát chảy, phá hủy đê Đề tài không nghiên cứu tai biến liên quan đến động đất tác động tải trọng động vấn đề lớn, sở tài liệu thời gian không cho phép thực Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống địa - kỹ thuật đô thị, bao gồm cấu trúc, tính chất, hoạt động trạng thái hệ thống, tai biến ĐKTMT; - Nghiên cứu xây dựng phương pháp luận lựa chọn phương pháp đánh giá dự báo tai biến ĐC - ĐKTMT thị; - Nghiên cứu phân tích đặc điểm ĐCCT địa hệ cấu trúc địa chất thành phố Hà Nội; - Nghiên cứu tác động từ hệ thống kỹ thuật đến MTĐC đặc điểm tương tác hệ thống Địa – Kỹ thuật thành phố Hà Nội; - Đánh giá dự báo tai biến ĐC - ĐKTMTthành phố Hà Nội Phương pháp nghiên cứu Để giải mục tiêu nội dung nghiên cứu nêu trên, đề tài sử dụng tổng hợp phương pháp nghiên cứu sau đây: - Phương pháp phân tích hệ thống: Cơ sở lý thuyết phân tích tương tác hình thành q trình; - Phương pháp địa chất: Nghiên cứu sở địa chất (MTĐC) để có đủ thơng tin phục vụ cho đánh giá dự báo Thu thập hệ thống hóa số liệu; Phân tích ảnh viễn thám; Thị sát trường; GIS đồ; - Phương pháp mô hình tốn học tiền định: Lựa chọn hàm lý thuyết mơ q trình phát triển tai biến ĐC - ĐKTMT, tính tốn giá trị đặc trưng chúng theo yếu tố thành phần để đánh giá trạng thái q trình đó; -Phương pháp lập đồ tai biến ĐC - ĐKTMT: Lập đồ yếu tố tai biến, phương pháp chồng chập đồ thành phần để xây dựng đồ đánh giá tổng hợp tai biến diện tích tương ứng Luận điểm bảo vệ Để tới mục tiêu đặt ra, kết nghiên cứu đề tài luận án cho phép đưa hai luận điểm bảo vệ: MTĐC đô thị Hà Nội tỷ lệ 1:50.000 phân chia theo vùng ĐCCT, kiểu cấu trúc 18 phụ kiểu thuộc trầm tích Đệ tứ, kiểu cấu trúc đá cứng theo tiêu chí tương ứng phân chia cấp bậc hệ thống, chúng thể đồ phân chia cấu trúc thành phố Hà Nội phục vụ cho đánh giá tính nhạy cảm MTĐC với tác động từ hệ thống kỹ thuật đô thị MTXQ Các tai biến ĐC – ĐKTMT thành phố Hà Nội phát sinh tương tác phụ hệ thống kỹ thuật đô thị với MTĐC MTXQ, phát triển theo quy luật phân bố không gian thời gian phản ánh đồ phân bố tai biến ĐC – ĐKTMT thành phố Hà Nội, bao gồm: Sụt lún mặt đất ngun nhân san lấp nền, tải trọng cơng trình, khai thác nước đất; tai biến liên quan đến xây dựng cơng trình ngầm; tượng ma sát âm; Karst Những điểm khoa học - Tai biến ĐC – ĐKTMT, phân vùng cấu trúc địa chất tác động từ HTKT đô thị MTXQ đến MTĐC nghiên cứu đánh giá hệ thống hóa sở lý thuyết hệ thống - Bản đồ phân vùng cấu trúc thành phố Hà Nội tỷ lệ 1:50.000 lần thành lập, sở tốt cho nghiên cứu đánh giá tai biến ĐC – ĐKTMT phục vụ phát triển bền vững đô thị - Các tai biến ĐC – ĐKTMT thành phố Hà Nội luận án nghiên cứu, sâu đánh giá, dự báo lún mặt đất tải trọng san lấp, tải trọng từ cơng trình bề mặt, khai thác nước ngầm kết thể đồ, sở tốt cho công tác quy hoạch xây dựng, phòng chống tai biến khai thác sử dụng hợp lý MTĐC đô thị Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Về ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần bổ sung sở lý thuyết phương pháp luận cho hướng nghiên cứu “Địa kỹ thuật môi trường” Việt Nam Về ý nghĩa thực tiễn: Kết đề tài tài liệu khoa học làm sở cho quan hữu quan triển khai công tác khảo sát, quy hoạch, thiết kế xây dựng lồng ghép với phòng tránh tai biến bảo vệ môi trường, phát triển bền vững, chiến lược quản lý khai thác tài nguyên hiệu địa bàn Hà Nội Cơ sở tài liệu - Các đồ tài liệu Địa chất Trung tâm Thông tin Lưu trữ Tạp chí Địa chất, Liên đồn Bản đồ Địa chất Miền Bắc, Liên đồn Bản đồ Địa chất Khống sản Biển; - Tài liệu quan trắc hạ thấp mực nước Trung tâm Quy hoạch Điều tra Tài nguyên nước Quốc gia (số liệu 2005-7/2017); - Tài liệu khảo sát Địa chất cơng trình Cơng ty CP KS Địa chất Xử lý Nền móng Cơng trình, Cơng ty CP Đầu tư Hạ tầng Bắc Việt, Trung tâm nghiên cứu Địa kỹ thuật – Trường Đại học Mỏ Địa chất, ; - Nguồn tài liệu quan trọng khác kết triển khai nghiên cứu đề tài trọng điểm thành phố Hà Nội mã số: 01C-04/01-2016-3 PGS.TSKH Trần Mạnh Liểu chủ trì mà tác giả thành viên trực tiếp tham gia; - Ngoài luận án kế thừa toàn tài liệu nghiên cứu 10 Cấu trúc luận án Nội dung luận án cấu trúc sau: Mở đầu Chương 1: Cơ sở khoa học nghiên cứu đánh giá, dự báo tai biến ĐC – ĐKTMT đô thị Chương 2: Hệ thống Địa – kỹ thuật đô thị Hà Nội Chương 3: Đánh giá, dự báo tai biến Địa chất – Địa kỹ thuật môi trường thành phố Hà Nội Kết luận kiến nghị Danh mục tài liệu tham khảo Phụ lục CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO TAI BIẾN ĐC – ĐKTMT ĐƠ THỊ 1.1 TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH ĐƠ THỊ HÓA, TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI TỪ CÁC HOẠT ĐỘNG KINH TẾ - XÂY DỰNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT 1.1.1 Tổng quan lịch sử thị hóa Trong lịch sử phát triển giới, sau cách mạng cơng nghiệp, lồi người xây dựng ạt nhiều thành phố lớn Hoạt động kỹ thuật tác động sâu sắc toàn diện đến MTĐC mức độ khác phụ thuộc vào kỹ thuật, công nghệ, trình độ sản xuất, quy mơ kinh tế công nghiệp Chỉ từ nửa sau Thế kỷ 20, nhân loại nghĩ đến cần thiết phải đổi cách tư duy, hành động, để tiến đến mục tiêu phát triển bền vững Các dấu mốc lớn hội nghị môi trường: Hội nghị Stockhom – Thụy Điển (1972), Rio de Janero – Brazin (1992), Nam Phi (2002), Tokyo (1997), Nairoby -Kenya (2019) , gần 200 Quốc gia đưa nghị định, chương trình mơi trường tồn cầu, bảo vệ mơi trường phát triển bền vững.Ngồi ra, cịn nhiều Hội nghị biến đổi khí hậu mơi trường thuộc khu vực Quốc gia khác nhằm ứng phó với tai biến Cũng từ ngành khoa học có liên quan nhanh chóng cấu trúc lại nhiệm vụ mình, lồng ghép với vấn đề sinh thái, môi trường, tài nguyên xuất nhiều hướng khoa học mới, có Địa kỹ thuật - mơi trường (ĐKTMT) 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu tai biến ĐC - ĐKTMT 1.1.2.1 Các nghiên cứu giới Theo dự báo Liên Hợp Quốc năm 1996, vào đầu kỷ XXI, nửa dân số giới sống làm việc khu vực thành thị Cũng theo dự đoán, tỷ lệ người dân thành thị tiếp tục tăng thời gian kỷ XXI (United Nations Centre for Human Settlements, 1996) Các tai biến ĐC – ĐKTMT đô thị đa dạng nghiên cứu nhiều Quốc gia khác Có thể lấy ví dụ sau: -Nghiên cứu trượt lở: Được phát triển mạnh toàn giới, đặc biệt nước lớn Nga, Mỹ, Trung Quốc, Pháp, Đức, Anh, Nhật Bản, Thụy Điển, Hàn Quốc, Hồng Kong, Một số nhà khoa học có đóng góp lớn cho nghiên cứu trượt F P Xavarensky (1935), I V Popov (1946), N N Maxlov (1955), E C Emelianova (1972) V D Lomtadze (1979); K.Terzaghi (1950), Taylor, Varnet (1978) - Nghiên cứu sụt lún mặt đất khai thác nước ngầm: Nghiên cứu tiến hành nhiều nước giới Mỹ, Italia, Nga, Trung Quốc, Mexico, Nhật, Thái Lan, New Zealand, Ngồi cịn nhiều dạng tai biến khác động đất, núi lửa, dòng lũ bùn đá, băng tan, thảm họa cháy rừng, bão lụt, ô nhiễm môi trường, nghiên cứu nhiều Quốc gia khác có nhiều chương trình nghiên cứu cấp Quốc tế 1.1.2.2 Nghiên cứu Việt Nam Nghiên cứu chung ĐKTMT mang tính lý thuyết dịch từ nguồn tài liệu tác giả, hội nghị Quốc tế Trần Mạnh Liểu, Tống Duy Thanh, Mai Trọng Nhuận, Nhiều đề tài, chương trình nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực khác đất yếu, trượt sạt lở, xói mịn, xói lở bờ sơng, bờ biển, sụt lún mặt đất, phá hủy bờ mỏ, ô nhiễm môi trường nghiên cứu nhiều tác giả khác Phạm Văn Tỵ, Nguyễn Thanh, Nguyễn Huy Phương, Trần Mạnh Liểu, Đoàn Thế Tường, Đỗ Minh Đức, Tạ Đức Thịnh, Đào Văn Thịnh, Lê Trọng Thắng, Trần Nhật Dũng, Nguyễn Quốc Thành, 1.2 CƠSỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO TAI BIẾN ĐC – ĐKTMT ĐÔ THỊ 1.2.1 Địa hệ kỹ thuật – tự nhiên Hệ thống Địa – kỹ thuật - Địa hệ kỹ thuật – tự nhiên (MTĐC - HTKT - MTXQ) tổ hợp có tổ chức liên hệ hữu hợp phần MTĐC - HTKT với phần bao quanh (khí quyển, thuỷ quyển, sinh phần sâu thạch quyển) nằm vùng hoạt động tương tác xem xét hệ thống thống [23, 100] - Hệ thống Địa – Kỹ thuật Hệ thống tương tác yếu tố MTĐC với yếu tố phụ hệ thống kỹ thuật gọi hệ thống Địa – kỹ thuật Như vậy, hệ thống Địa – kỹ thuật phụ hệ thống Địa hệ kỹ thuật - tự nhiên - Tính chất hệ thống Địa – Kỹ thuật:Các tính chất nhưtính chất điều chỉnh được, tính chất động tính chất mở, - Hoạt động hệ thống tai biến ĐC - ĐKTMT: Hoạt động hệ thống định tương tác yếu tố hệ thống với yếu tố hệ thống với yếu tố MTXQ Tai biến ĐC - ĐKTMT đô thị: Định nghĩa nêu phần tính cấp thiết đề tài 1.2.2.Hệ thống Địa - Kỹ thuật thị Hệ thống ĐKTĐT Địa hệ kỹ thuật – tự nhiên khu vực đô thị Đối với HTĐKT thị phân chia hệ thống việc phân chia phụ hệ cấp bao gồm: Phụ hệ thống MTĐC phụ hệ thống kỹ thuật đô thị 1.2.2.1 Phụ hệ thống kỹ thuật thị Tồn hoạt động xây dựng, khai thác kinh tế lãnh thổ phạm vi đô thị với kỹ thuật công nghệ khác tác động vào MTĐC gọi hệ thống kỹ thuật đô thị Phụ hệ thống kỹ thuật đô thị phân chia cấp bậc phân chia thứ theo cấu trúc nội dung (hình 1.3) Cấu trúc tác động Tác động sinh học Tác động học Tác động thuỷ động lực Tác động điện từ Tải trọng động Tải trọng tĩnh Di tích văn hố-Lịch sử Cơng trình vĩnh cửu (lăng tẩm ) Cấu trúc đặc biệt Phụ hệ thống kỹ thuật thị Cơng trình an toàn quốc gia (đê,đập ) Cấu trúc phân vùng chức Cấu trúc phân vùng quy hoạch Vùng xanh Vùng ngoại ô Vùng ven rìa Trung tâm thành phố Khu dự trữ Xây dựng Khu hành Khu cơng nghiệp Cấu trúc địa giới hành Các huyện, lỵ n Khu an dưỡng Khu dân sinh Quận Quận n Hình 1.3 Cấu trúc phụ hệ thống kỹ thuật đô thị 1.2.2.2 Phụ hệ thống MTĐC đô thị MTĐC đối tượng nghiên cứu nhiều lĩnh vực khoa học địa chất khác nhau, hình thành nhiều khái niệm định nghĩa MTĐC Môi trường địa chất phần thạch có tác động tương hỗ với khí quyển, sinh quyển, thủy kỹ thuật Từ góc độ nghiên cứu vận động HĐKT thị, MTĐC phân chia thành đối tượng nghiên cứu khác lượng vật chất (hình 1.4) Phụ hệ thống Môi trường Địa chất Cấu trúc vật chất Cấu trúc Địa chất – Thạch học Cấu trúc Địa mạo Cấu trúc lượng Cấu trúc Kiến tạo Cấu trúc Địa chất – Thủy Văn Cấu trúc trường Địa vật lý Hình 1.4 Các yếu tố phụ hệ thống Môi trường địa chất 1.2.2.3 Hoạt động hệ thống Địa – kỹ thuật đô thị Hoạt động HTĐKT đô thị định chủ yếu trình tương tác yếu tố HTĐKT với MTXQ yếu tố hệ thống ĐKT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊA KỸ THUẬT Các q trình tương ứng ① Phong hóa cơng trình (hóa học, sinh học, vật lý) ② Phát thải nhiễm KK, SQ, TQ ③ Q trình ĐCCT ④ Q trình phá hủy cơng trình ngun nhân địa chất ⑤ Tích tụ lượng phần sâu thạch ⑥ Địa chất nội sinh (động đất, nứt đất) ⑦ Địa chất động lực ngoại sinh ⑧ Ô nhiễm KK, SQ, TQ từ MTĐC Khí quyển, Sinh quyển, Thủy ① ⑦ ⑧ ② Phụ hệ thống Kỹ thuật ③ ④ Phụ hệ thống MTĐC ⑤ ⑥ Phần sâu Thạch Ranh giới HT ĐKT ① Hướng tác động tai biến Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động hệ thống ĐKT 1.2.2.4 Những vấn đề ĐKTMT đô thị Những vấn đề ĐKTMT đô thị trình động lực MTĐC hệ thống kỹ thuật đô thị, đe doạ ổn định HĐKT đô thị Trong phạm vi HĐKT đô thị, vấn đề ĐKTMT chủ yếu phát sinh tác động từ hệ thống kỹ thuật đô thị đến MTĐC 1.3 LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU CÁC TAI BIẾN ĐKT LIÊN QUAN ĐếN XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH TRÊN MẶT VÀ KHAI THÁC NƯỚC NGẦM 1.3.1 Đánh giá, dự báo sụt lún mặt đất tác động san lấp xây dựng cơng trình bề mặt 1.3.1.1 Dự báo độ lún cuối * Cơ sở lý thuyết đánh giá dự báo lún mặt đất san lấp xây dựng công trình Cơ sở lý thuyết dự báo lún theo nguyên lý học đất: Độ lún tổng độ lún thành phần trình lún (lún tức thời, lún cố kết, lún theo thời gian) Mơ hình tính tốn: S = Si + Sc + Ss (1.1) Trong đó: Si - độ lún tức thời; Sc - độ lún cố kết thấm; Ss - độ lún từ biến Độ lún cố kết thấm Sc thường có giá trị lớn nhất, đặc biệt đất yếu, tính theo công thức tương ứng điều kiện sau: - Nếu 'voi< Pci