Như vậy, trong tất cả các tương tác kể trên thì các tác động từ thuỷ quyển, khí quyển và phần sâu của thạch quyển đến hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng có thể làm phát sinh và [r]
(1)ĐẶC ĐIỂM, TRẠNG THÁI HỆ THỐNG ĐỊA KỸ THUẬT ĐỚI ĐỘNG SÔNG HỒNG KHU VỰC HÀ NỘI
ThS NGUYỄN CÔNG KIÊN
Viện KHCN Xây dựng
Tóm tắt: Trong phát triển thành phố Hà Nội nhu cầu sử dụng đất cao, trong quỹ đất ven sơng Hồng chưa khai thác cách triệt để dẫn đến lãng phí tài nguyên Một ngun nhân dẫn đến lãng phí là khu vực đới động, nơi mà các loại hình tai biến địa kỹ thuật mơi trường thường xuyên xảy ra, mà chưa có nghiên cứu tổng hợp đầy đủ để kiểm sốt Do vậy, cần phải có nghiên cứu dựa sở phân tích, tổng hợp tất tác động tương hỗ hệ thống địa kỹ thuật với môi trường địa chất môi trường xung quanh như: thuỷ quyển, khí quyển, sinh quyển hệ thống tương tác qua lại thống nhất Dựa lý thuyết hệ thống, tác giả phân tích cấu trúc, tính chất, đặc điểm hoạt động, trạng thái hệ thống địa kỹ thuật, giới thiệu nguyên tắc điều khiển cần thiết xây dựng hệ thống quan trắc địa kỹ thuật môi trường nhằm đảm bảo ổn định cho hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng khu vực Hà Nội
Abstract: In the current development of Hanoi, the demand for land use is very high, while the land bank along Red River has not been exploited thoroughly, leading to a waste of resources One of the reasons for this waste is the Dynamic area is here, where environmental geohazards often occur, but there is currently no comprehensive study enough to check it Therefore, it is necessary to have researches on the basis of analyzing and synthesizing all the interactions between the geotechnical system and the geological environment and surrounding environment such as hydrosphere, atmosphere, biosphere in a unified interaction system. Based on system theory, the author analyzes the structure, properties, operational characteristics, geotechnical system status, introduces control principles and the need to build geo-environmental monitoring system to ensure stability for the geotechnical system of the Red River dynamic zone in Hanoi
Keywords: The geotechnical system of the Red River dynamic zone
1 Đặt vấn đề
Đới động sông Hồng nơi tiềm ẩn xảy tai biến tự nhiên, kỹ thuật-tự nhiên đe dọa ổn định tuyến đê an tồn thị Cấu trúc địa chất đới động sông Hồng bất đồng theo diện chiều sâu biến đổi mạnh mẽ lòng dẫn qua thời kỳ, đất đá đới động ứng xử khác biệt tác động yếu tố tự nhiên nhân sinh, dẫn đến tính phức tạp sử dụng chúng cho cơng trình khác khu vực nhà cửa, kho tàng, cầu cảng, đê điều, đường giao thơng Địa hình đới động sơng Hồng ln ln thay đổi trạng thái cân với q trình tích tụ sói lở đan xen, tác động đồng thời Sông Hồng trở thành sông "treo" với cao độ tuyệt đối bãi bồi 10 - 12 m, mực nước lũ hàng năm đạt tới 13 - 14m Do vậy, bờ đê ổn định với xuất thường xuyên tượng sói lở bờ; mùa mưa lũ, mực nước dâng cao gây ngập, bán ngập, thấm qua đê tạo mạch sủi, mạch đùn chân đê, đe doạ đến ổn định toàn tuyến đê Khu vực đới động sông Hồng địa bàn thu hút hoạt động xây dựng, khai thác vật liệu xây dựng, giao thông vận tải thuỷ hoạt động kinh tế khác Các hoạt động diễn cách tự phát, không quản lý mạnh mẽ nguồn phát sinh trình địa chất cơng trình động lực bất lợi cho phát triển bền vững lãnh thổ Do vậy, cần thực liên tục theo thời gian nội dung sau:
- Đánh giá trạng thái hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng;
- Dự báo trạng thái chúng thời điểm dự kiến tương lai;
(2)- Đánh giá hiệu giải pháp điều khiển lựa chọn (dựa vào số liệu trạng thái thực hệ thống);
- Hiệu chỉnh phương pháp đánh giá, dự báo sử dụng lại tiếp tục đánh giá trạng thái hệ thống
Do vậy, việc đánh giá dự báo trạng thái hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng cần thiết phải xây dựng hệ thống quan trắc địa kỹ thuật môi trường
2 Hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng Hệ thống địa kỹ thuật (HTĐKT) đới động sơng Hồng cấu thành gồm thành phần Môi trường địa chất hệ thống kỹ thuật (bao gồm: thân đê, đê, tường chống thấm, cơng trình đê (cống, trạm bơm, điếm canh đê), hệ thống giếng giảm áp, với cơng trình xây dựng, nhà cửa, đường giao thông, bến cảng, ao hồ, sản phẩm phế thải từ hoạt động kinh tế cộng đồng) Hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng tác động trực tiếp hay gián tiếp tới môi trường xung quanh như: Thủy (nước sông), Khí quyển, sinh phần sâu thạch xem
xét hệ thống thống “Hệ thống Địa – Kỹ thuật tự nhiên” (HTĐ – KTTN) đới động sông Hồng khu vực Hà Nội
Trong tồn HTĐKT hệ thống đê có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Đặc điểm ứng xử hệ thống đê môi trường địa chất tác động thuỷ quyển, khí quyển, sinh phần lại hệ thống kỹ thuật định đặc điểm hoạt động ổn định HTĐKT đới động sơng Hồng (hình 1) Hệ thống có đặc điểm khác so với hệ thống địa kỹ thuật khác như: HTĐKT đô thị, khu công nghiệp, nhà máy thuỷ điện Hệ thống địa kỹ thuật đới sông Hồng coi đơn giản cấu trúc hệ thống
Về ranh giới: theo chiều ngang HTĐKT đới động sông Hồng giới hạn sau: Phần ngồi đê gồm sơng, bãi bồi sơng bãi bồi ven sông đến sát chân đê Phần đê xác định vị trí kết thúc ảnh hưởng áp lực thuỷ động tầng thông nước đê vào thời gian mưa lũ Theo chiều sâu ranh giới HTĐKT đới động sơng Hồng giới hạn đáy tầng thông nước tạo áp lực đê (hình 1)
Hình Hệ thống Địa - Kỹ thuật đới động sông Hồng
Môi trường địa chất HTĐKT đới động sơng Hồng chủ yếu thành tạo từ Trầm tích Hệ Thứ Tư với bề dày tổng thể thay đổi từ 20-30m phía Tây Bắc địa phận Ba Vì tăng dần xuống phía Đơng Nam dọc theo dòng chảy tới 100m Đây trầm tích mềm, rời có tuổi thành phần khác Mơi trường địa chất (MTĐC) phân chia thành cấu trúc cấp bậc khác phụ thuộc vào việc lựa chọn tiêu phân chia, ví dụ như: địa hình - địa mạo, địa chất thuỷ văn, địa chất cơng trình Theo đặc thù địa chất
đối tượng nghiên cứu, MTĐC HTĐKT đới động sơng Hồng xem xét từ hai góc độ: vật chất lượng
- Dưới góc độ vật chất, MTĐC HTĐKT đới động sơng Hồng bao gồm loại cấu trúc: địa tầng, địa mạo, kiến tạo, địa chất thuỷ văn, địa chất công trình;
(3)lý như: trường ứng suất, trường trọng lực, trường áp lực thuỷ động, trường áp lực thuỷ tĩnh, trường độ ẩm
Dựa vào tuổi nguồn gốc phân biệt trầm tích Hệ Thứ Tư thành Phức hệ địa chất nguồn gốc, cịn dựa vào thành phần thạch học tính chất lý phân biệt 15 lớp khác
Các phức hệ địa chất nguồn gốc bao gồm từ lên sau:
1 Phức hệ địa chất nguồn gốc Pleistoxen dưới-Tầng Lệ chi (aQIlc)
2 Phức hệ địa chất nguồn gốc Pleistoxen giữa-trên-Tầng Hà Nội (a, ap, pd QII-IIIhn)
3 Phức hệ địa chất nguồn gốc Pleistoxen trên-Tầng Vĩnh Phúc (a, l, lb QIIIvp)
4 Phức hệ địa chất nguồn gốc Holoxen dưới-giữa-Tầng Hải Hưng (QIV1-2hh)
5 Phức hệ địa chất nguồn gốc Holoxen trên-Tầng Thái Bỡnh (QIV3tb)
Dựa vào thành phần thạch học tính chất lý phân chia thành lớp sau:
Hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng đặc trưng tổ hợp tính chất sau:
- Tính chất điều chỉnh được: tương tác làm biến đổi hệ thống điều khiển được;
- Tính chất động: tính chất trạng thái hệ thống biến đổi theo thời gian;
- Tính chất mở: yếu tố hệ thống tác động tương hỗ liên tục với yếu tố mơi trường xung quanh như: khí quyển, sinh quyển, thuỷ quyển, phần sâu thạch Trong hệ thống liên tục diễn trình trao đổi chất lượng;
- Tính chất tổ chức: hệ thống có khả giữ tính trật tự theo thời gian;
- Tính chất tự tổ chức: hệ thống có khả tăng cường tính tổ chức có tác động điều chỉnh;
- Tính chất thích ứng: hệ thống có khả giữ cấu trúc tác động yếu tố tự nhiên nhân sinh
(4)Đảm bảo trạng thái HTĐKT đới động sông Hồng vùng giới hạn cho phép mục tiêu việc điều khiển hệ thống
3 Hoạt động hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng
Hoạt động HTĐKT đới động sơng Hồng định chủ yếu q trình tương tác yếu tố hệ thống với môi trường xung quanh
giữa yếu tố hệ thống tức hệ thống địa kỹ thuật với mơi trường địa chất mà tất tương tác thực theo hai chiều Hậu tương tác kể phát sinh trình địa thuỷ địa làm biến đổi tính chất trạng thái HTĐKT đới động sông Hồng môi trường xung quanh (hình 2) Sự tác động qua lại theo nhiều hướng khác sau:
Hình 2. Hoạt động hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng
a Theo hướng tác động Hệ thống kỹ thuật với môi trường địa chất
- Quá trình cố kết đê tác động tải trọng đê cơng trình đê, gây lún không đê;
- Các giếng giảm áp làm thay đổi trạng thái ứng suất cục bộ, thay đổi áp lực thuỷ tĩnh, áp lực thuỷ động môi trường địa chất ven đê;
- Lún không đê gây tác động trở lại làm phát sinh khe nứt thân đê;
- Sự thay đổi áp lực thuỷ động thuỷ tĩnh môi trường địa chất ven đê định đến mức độ bền vững hệ thống đê;
- Các tác động từ cơng trình như: nhà cửa, cầu, đường giao thông, khu khai thác cát
hoạt động khác người tác động vào môi trường địa chất khu vực đới động sơng Hồng Từ dẫn đến q trình nén cố kết môi trường địa chất đê cơng trình xây dựng, phá vỡ tầng phủ chắn nước chống thấm hình thành nên vùng thấm thoát cục bộ, làm biến đổi chế độ thuỷ động lực vùng ven đê, gia cường q trình đùn đất, bục đất, xói ngầm, cát chảy hạ lưu đê Theo chiều ngược lại, biến đổi môi trường địa chất lại ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định hệ thống địa kỹ thuật
b Theo hướng tác động khí quyển, sinh vào hệ thống kỹ thuật
(5)phát sinh khe nứt co ngót thân đê, đê mái đê;
- Tác động sinh quyển, khí vào cơng trình nhà cửa, cầu cống gây trình ăn mòn vật liệu, nhiên tác động q trình khơng lớn;
- Tác động ngược lại từ hoạt động hệ thống kỹ thuật vào khí quyển, sinh gây nhiễm mơi trường sống khơng đóng vai trị đáng kể hoạt động ổn định HTĐKT đới động sông Hồng
c Theo hướng tác động thạch vào môi trường địa chất đới động
Các tác động từ phần sâu thạch hoạt động kiến tạo, động đất làm xuất q trình động lực nội sinh mơi trường địa chất biến đổi cấu trúc địa chất, gây tượng địa chấn Theo chiều ngược lại trình tồn lượng phần sâu thạch có nguồn gốc nhân sinh
d Theo hướng tác động thủy vào hệ thống kỹ thuật
- Chủ yếu trình thấm qua thân đê, tràn nước lũ qua mặt đê, đặc biệt thấm qua hệ thống khe nứt thân đê làm phân bố lại ứng suất thân đê, gây sạt trượt mái đê;
- Mùa mưa nước dâng xới lở bờ phá hủy cống thoát nước, kè bờ;
- Tác động ngược lại từ hệ thống kỹ thuật vào môi trường nước sông gây nhiễm nguồn nước, biến đổi dịng chảy Tuy nhiên tác động khơng đóng vai trò đáng kể hoạt động ổn định HTĐKT đới động sông Hồng
e Theo hướng tác động thủy vào môi trường địa chất
- Chủ yếu trình thấm, gia tăng áp lực thuỷ tĩnh thuỷ động phía hạ lưu thời gian lũ làm xuất q trình đùn sủi, thẩm lậu, cát chảy, xói ngầm, bục đất hạ lưu đê;
- Tác động ngược lại từ môi trường địa chất vào thuỷ xuất chủ yếu vào thời gian sau lũ, trình thấm ngược từ tầng thơng nước mang theo vật liệu mịn sông với sạt lở bờ
sông làm gia tăng hàm lượng hạt cứng dòng lơ lửng dòng bùn cát di đáy dịng chảy sơng
f Theo hướng tác động thủy vào phần sâu thạch
Tác động qua lại hai môi trường không lớn không làm ảnh hưởng nhiều đến ổn định hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng
g. Theo hướng tác động thủy vào khí quyển, sinh
Tác động qua lại hai môi trường không lớn không làm ảnh hưởng nhiều đến ổn định hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng
Như vậy, tất tương tác kể tác động từ thuỷ quyển, khí phần sâu thạch đến hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng làm phát sinh phát triển mạnh mẽ tai biến địa kỹ thuật môi trường, đe doạ đến ổn định hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng khu vực Hà Nội
4 Trạng thái ổn định hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng khu vực Hà Nội
Hoạt động hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng định tương tác chủ yếu hệ thống đê, cơng trình kinh tế xây dựng, môi trường địa chất khu vực đới động với thuỷ quyển, khí phần sâu thạch quyển, kéo theo phát triển trình địa cơ, thuỷ địa hệ thống đê mơi trường địa chất đới động Vì vậy, độ ổn định HTĐKT đới động sông Hồng thể khả phát sinh, phát triển q trình Tổ hợp thơng số hệ thống địa kỹ thuật bao gồm: hệ thống đê, cơng trình khu vực đới động, mơi trường địa chất ven đê, môi trường xung quanh định hoạt động HTĐKT đới động sông Hồng thời điểm gọi trạng thái HTĐKT đới động sông Hồng Trạng thái hệ thống thời điểm ti không gian trạng thái
được biểu diễn điểm {i}, i =
0,1…n; i vectơ thông số (tọa độ hệ
(6)chúng không vượt khỏi miền trạng thái cho phép Các thơng số trạng thái hệ thống lựa chọn cách phân tích điều kiện, nguyên nhân chế phát sinh, phát triển trình địa cơ, thuỷ địa hệ thống (bảng 1)
Trạng thái hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng khu vực Hà Nội biến đổi liên tục ảnh hưởng trình địa thuỷ địa kể Tất q trình định vận động hệ thống Các thông số đặc trưng cho xuất q trình hệ thống địa kỹ thuật MTĐC đặc trưng vận động hệ thống địa kỹ thuật đới động sông
Hồng Trong điều kiện làm việc bình thường hệ thống quỹ đạo vận động hệ thống phải nằm giới hạn cho trước - vùng trạng thái giới hạn
Vùng trạng thái giới hạn hệ thống địa kỹ thuật đới động sơng Hồng xác định nhiều đường khác nhau:
- Theo tài liệu tiêu chuẩn chuyên ngành có sẵn;
- Theo kết thí nghiệm mơ hình vật lý; - Theo kết tính tốn mơ hình tốn
Bảng1 Các thơng số trạng thái địa kỹ thuật đới động sông Hồng
Các yếu tố tác động trình địa
cơ, thuỷ địa Các thông số trạng thái HTĐKT đới động sông Hồng
- Biến đổi độ ẩm thân đê trình hình thành khe nứt co ngót mái đê thân đê
- Độ ẩm đất đắp đê (%) - Dung trọng đất đắp đê (g/cm3
) - Lực dính kết góc ma sát (C, ) - Nén chặt đất đê tải trọng thân
đê trình lún nứt thân đê - Tải trọng tĩnh thân đê (kg/cm
3
)
- Chiều dày lớp đất tính lún lớp đất yếu đê (m) - Các tiêu lý lớp đất tính lún đê; dung trọng, độ ẩm, modun biến dạng
- Mực nước ngầm (m) - Độ lún mặt đê (m)
- Độ mở khe nứt lún nứt (m) - Hiện tượng hoá lỏng đất loại cát
đê tải trọng động từ hệ thống giao thơng q trình lún nứt thân đê
- Cường độ giao thuỷ mặt đê (số xe/giờ) - Vận tốc dao động (dB)
- Chiều dày đất tính lún đê (đặc biệt lớp đất nhạy cảm tải trọng động)
- Độ lún mặt đê (m)
- Độ mở khe lún, nứt (m) tải trọng động - Thấm qua thân đê, xũng nước mái đê
quá trình sạt, trượt mái đê
- Lưu lượng thấm qua thân đê (l/s) - Mật độ khe nứt co ngót mái đê (m/m2
) - Độ dốc mái đê
- Áp lực thuỷ tĩnh - ÁP lực thuỷ động
- Dung trọng, độ bền (C, ) đất mái đê - Hệ số ổn định mái dốc
- Thấm qua thân đê đùn sủi chân đê
phía đồng - Áp lực tầng thơng nước chân đê phía đồng hạ lưu đê - Áp lực thuỷ động, áp lực thuỷ tĩnh hạ lưu đê - Chiều dày, thành phần hạt hệ số thấm tầng phủ cách nước hạ lưu đê
- Độ bền (C, ) tầng sét phủ cách nước bị đùn sủi trạng thái bão hoà nước
- Q trình xói ngầm phía hạ lưu đê
- Độ dốc thuỷ lực dòng thấm
- Hệ số bất đồng thành phần hạt tầng thông nước - Khoảng cách từ chân đê đến vùng thoát
- Lực thuỷ động dịng thấm - Q trình cát chảy đê phía
hạ lưu đê
- Áp lực thuỷ động dòng thấm - Thành phần hạt tầng thấm nước - Khoảng cách từ chân đê đến vùng
- Q trình bục đất phía hạ lưu đê - Chiều dày, dung trọng độ bền cắt (C, ), độ bền uốn tầng
phủ chống thấm
- Áp lực tầng thông nước tạo áp hạ lưu đê - Thay đổi mực nước sơng q trình sạt
- trượt bờ sông - Biên độ dao động mực nước sông - Độ dốc bờ sông
(7)Việc xác định giá trị giới hạn thông số trạng thái HTĐKT đới động sông Hồng trình bày khn khổ báo khác nghiên cứu đầy đủ nguyên nhân, điều kiện, chế phát sinh, phát triển trình địa thuỷ địa hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng
5 Điều khiển hoạt động hệ thống địa kỹ thuật đới động sông Hồng khu vực Hà Nội
Điều khiển hiểu thực tác động vào đối tượng cần điều khiển Tác động lựa chọn từ nhiều khả tác động sở thơng tin có để đảm bảo hoạt động cho đối tượng điều khiển Điều khiển hoạt động HTĐKT đới động sông Hồng làm thay đổi thơng số trạng thái chúng, phụ thuộc vào trình địa hay thuỷ địa phát triển đe doạ đến ổn định hệ thống Điều khiển làm thay đổi trạng thái hệ thống, tức thay
đổi thông số đặc trưng cho yếu tố tác động (nguyên nhân trình) thông số đặc trưng cho điều kiện phát triển trình Để làm điều phải có trung tâm xử lý (thi công) Việc thi công nội dung điều khiển phải thực sở định điều khiển quy định rõ yêu cầu cụ thể nội dung thi công, nội dung Trung tâm điều khiển soạn thảo Để soạn thảo định điều khiển phải tiến hành lựa chọn nhiều phương án để chọn phương án tốt theo tiêu chí điều khiển định sẵn Các định điều khiển soạn thảo sở thông tin dự báo trạng thái tương lai HTĐKT đới động sông Hồng Việc dự báo hệ thống phải tiến hành dựa số liệu trạng thái hệ thống, tương tác hệ thống hệ thống với môi trường xung quanh Các số liệu phải thu nhận từ mạng quan trắc tối ưu HTĐKT đới động sơng Hồng (hình 3)