-25.0-23.0 -23.0 -21.0 -19.0 -17.0 -15.0 -13.0 -11.0 Thời gian (tháng) Đo ä c ao m ực nư ớc (m ,a sl )
Hình 4.2: Mực nước tầng Pliocen trên
BIỂU ĐỒ QUAN TRẮC MỰC NƯỚC TẠI TRẠM Q011040
-20.0-18.0 -18.0 -16.0 -14.0 -12.0 -10.0 -8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 Thời gian (tháng) Đo ä c ao m ực (m ,a sl )
Đối với tầng chứa nước Pleistocen là tầng nước được khai thác chủ yếu bởi các giếng nhỏ nằm trong các hộ dân [29]. Nĩ phân bố gần hoặc lộ ra trên mặt đất, nguồn cấp là nước mưa, nước mặt, mực nước dao động theo mùa. Mặt khác phần nước cĩ chất lượng tốt được phân bố ở phần lộ của tầng chứa nước, đất ở vùng lộ lại nằm ở khu vực địa hình cao và thường cĩ độ cố kết cao. Khi khai thác nước ở khu vực này cĩ làm hạ mực nước thì sự cố kết của đất khơng đáng kể. Phần nước cĩ chất lượng xấu thường phân bố ở vùng trũng và nĩ bị phủ bởi các lớp trầm tích trẻ chưa cố kết thuộc tầng Holocen. Do chất lượng nước xấu và chính chất lượng nước của tầng chứa nước Holocen cũng xấu, vùng này khơng bị khai thác và cũng khơng làm hạ thấp mực nước trong chính nĩ và tầng trên nĩ. Như vậy việc khai thác nước từ tầng Pleistocen gây lún mặt đất khơng đáng kể.
Đối với 2 tầng chứa nước Pliocen trên và dưới, hiện nay đang được tập trung khai thác và mực nước của chúng bị hạ thấp nhanh với tốc độ trung bình 1-2 m/năm của giai đoạn 1991 đến 2003 và từ 2003 đến nay sự hạ thấp cĩ chựng lại thậm chí cĩ khu vực mực nước khơng hạ thấp thêm. Sự hạ thấp mực áp lực dẫn tới làm mất cân bằng áp lực giữa lớp chứa nước và các lớp cách nước yếu. Sự mất cân bằng này làm cho áp lực thủy tĩnh của các lớp đất giảm dẫn đến tăng áp lực hiệu quả, kết quả là làm nén lớp chứa nước và các lớp thấm nước yếu gây LMĐ.
Yếu tố đặc điểm mơi trường địa chất đĩng một vai trị hết sức quan trọng đến LMĐ do khai thác nước gây ra. Theo các tài liệu hiện cĩ, mơi trường địa chất vùng nghiên cứu cĩ thể chia ra làm 3 tầng cấu trúc chính sau [10,20,21,22,40]:
+ Tầng cấu trúc trên gồm các trầm tích trẻ nhất thuộc Holocen. Theo mặt cắt từ trên xuống dưới cĩ 3 tập trầm tích: tập trên cùng là bột sét màu xám đen dày khoảng 13,0 m; tập giữa là sét bột pha cát màu xám đen chưa mùn thực vật và vỏ sị dày khoảng 20,0 m; Tập dưới là cát sạn, cát bột màu xám đen chứa mùn thực vật dày khoảng 11,0 m. Các lớp đất của tầng cấu trúc này chưa cố kết, hệ số rỗng lớn từ 1,08-2.30, hệ số nén lún từ 0,044-0,225 cm2/kg, mơdun tổng biến dạng nhỏ từ 7-26 kg/cm2. Đất thuộc loại đất yếu, chịu lực kém và khả năng nén lún lớn khi cĩ tải trọng đặt lên hay khi mực nước ngầm hạ thấp[13].
+ Tầng cấu trúc giữa từ trên xuống dưới gồm các trầm tích tuổi Pleistocen muộn phân bố hầu khắp diện tích thành phố và lộ ra trên các khu vực cĩ độ cao lớn hơn 5,0 m, phần cịn lại bị phủ bởi các trầm tích Holocen. Pleistocen muộn cĩ hai tập trầm tích: tập trên là cát bột, sạn màu xám bị phong hĩa yếu loang lỗ, nâu vàng, bề dày thay đổi từ 2-4 m; tập dưới là cuội sỏi thạch anh cĩ bề dày thay đổi từ 2,5-5,5 m. Các trầm tích tuổi Pliocen muộn –Pleistocen sớm cĩ thành phần là sét bột và bề dày thay đổi từ 40,0-136,0 m. Các trầm tích tuổi Pliocen sớm cĩ hai tập trầm tích: tập trên là sét, sét bột hoặc bột sét lẫn ít cát bề dày khoảng 10,0 m; tập dưới là cát, cát sạn sỏi lẫn sét bột dày khoảng 100,0 m. Tầng cấu trúc này hình thành nên các tầng chứa nước chính của vùng nghiên cứu. Xen kẽ giữa các lớp đất hạt thơ chứa nước là các lớp cát pha, sét pha ở phần trên, kế là các lớp sét pha laterit và sét laterit và phần dưới là sét, sét pha, cát pha ở dạng nửa cứng đến cứng. Hệ số rỗng của các loại đất hạt mịn thay đổi từ 0,43-0,68, hệ số nén lún 0,01-0,018 cm2/kg, mơdun tổng biến dạng
thay đổi từ 31-87 kg/cm2. Điều này cho thấy các lớp đất hạt mịn trong tầng cấu trúc này cĩ mức độ cố kết khá cao, do đĩ khả năng bị nén do giảm áp lực thủy tĩnh nhỏ. Đáng lưu ý của tầng cấu trúc này là sự mất nước của các lớp đất cát pha, sét pha thấm nước yếu sẽ dẫn đến khả năng nén lớn.
+ Tầng cấu trúc dưới gồm các đá trầm tích tuổi Jura sớm, các đá trầm tích núi lửa tuổi Jura muộn-Kreta sớm. Thành phần là cát kết, cát bột kết đa khống xen kẽ với đá phiến silic, sét kết xâm tán carbonat và sunfua, bề dày trên 65,0 m. Đây là mĩng cứng của vùng nghiên cứu và được coi là khơng bị nén.
Nhìn một cách tổng thể vùng nghiên cứu cĩ thể chia ra thành 2 kiểu mặt cắt cấu trúc:
Kiểu mặt cắt một tương ứng với vùng lộ trầm tích Pleistocen ở độ cao địa hình lớn hơn 5,0 m. Từ trên xuống dưới gồm 9 lớp đất đá: cát pha, sét pha dày từ 2,4 m đến 3,3 m; sét pha hoặc sét laterit cứng chắc dày từ 2,3 m đến 2,4 m; sét pha hoặc sét loang lỗ dày 2,0 m đến 2,5 m; cát, cát sạn sỏi dày từ 7,0 m đến 10,0 m hoặc lớn hơn (lớp chứa nước Pleistocen); lớp sét (mái của tầng Pliocen trên); cát mịn đến thơ lẫn sạn sỏi (lớp chứa nước của tầng Pliocen trên); lớp sét hay sét pha (mái của tầng Pliocen dưới); cát mịn đến thơ lẫn sạn sỏi (lớp chứa nước của tầng Pliocen dưới) và cuối cùng là nền đá cứng.
Kiểu mặt cắt hai ứng với các vùng trũng thấp của vùng nghiên cứu, vùng phân bố các trầm tích cĩ tuổi Holocen. Khác với mặt cắt kiểu một là phủ lên trên lớp cát pha, sét pha là các lớp sét, bùn sét hữu cơ xen các thấu kính cát mịn dày từ 1,0 m đến trên 30,0 m, tồn bộ các lớp này được bao
phủ bởi lớp đất đắp dày trung bình 2,0 m. Giữa 2 kiểu mặt cắt, việc khai thác nước dưới đất ở vùng cĩ kiểu mặt cắt thứ hai dễ gây lún mặt đất hơn kiểu mặt cắt một.
Trong những năm gần đây, tình trạng ngập nước của thành phố Hồ Chí Minh nhất là khu vực nghiên cứu ngày càng trầm trọng hơn. Theo số liệu của Sở Giao thơng Vận tải, số điểm ngập của năm 1998 là 122 điểm, năm 1999 là 134 điểm. Mặc dù Thành phố đã đầu tư rất lớn cho cơng tác xĩa ngập, năm 2000 đã xố được 36 điểm ngập và tính đến tháng 6 năm 2003 số điểm ngập cịn lại là 91 điểm. Nhưng báo cáo mới đây cho biết số điểm ngập lại tăng trên 112 điểm. Nghiêm trọng hơn nhiều khu vực cĩ địa hình cao khơng ngập trước kia, nay đã xuất hiện nhiều điểm ngập ở quận Tân Bình, Quận 3, Hĩc Mơn, Quận 12 và độ sâu ngập ngày càng tăng ở Quận 8, Quận 6. Đã cĩ nhiều chương trình, đề tài nghiên cứu để đưa ra các giải pháp khả dĩ để giải quyết vấn đề ngập của Thành phố đặc biệt là vùng nội thành. Các nguyên nhân gây ngập đã được nhiều tác giả, các nhà khoa học cho rằng ngập vùng trung tâm thành phố nhất là vào mùa mưa là do quy hoạch đơ thị khơng tốt, hệ thống thốt nước lạc hậu, dân số tăng dẫn đến việc xây dựng khơng phép tràn lan khơng được quản lý, do san lấp kênh mương, do LMĐ.
Theo kết quả nghiên cứu biến dạng mặt đất bằng phương pháp INSAR vi phân vùng trung tâm Thành phố của Lê Văn Trung và Hồ Tống Minh Định (2007) ( Hình 4.4). Kết quả tác giả xác định được 5 khu vực cĩ độ biến dạng LMĐ khác nhau là khu cĩ biến dạng lún lớn hơn 20,0 cm, ứng với các khu vực đơ thị mới gồm Quận 2, Quận 7, Bình Thạnh; khu vực
biến dạng lún từ 15,0 cm đến 20,0 cm, ứng với các khu vực cĩ tốc độ đơ thị hĩa cao gồm Quận 1, 3, 4, 5, 8, 9, 12, Gị Vấp, Tân Phú và Bình Chánh; khu vực biến dạng lún từ 10,0 cm đến 15,0 cm, ứng với các khu vực đơ thị hĩa cao và khai thác NDĐ đất tập trung gồm Quận 6, 10, 11, Tân Bình, Tân Phú, Phú Nhuận, Bình Tân, Gị Vấp, Thủ Đức, Bình Chánh; khu vực biến dạng lún từ 10,0 cm đến 2,5 cm, ứng với huyện Hĩc Mơn nơi cĩ tốc độ đơ thị hĩa trung bình; khu vực biến dạng lún nhỏ hơn 2,5 cm, ứng với các khu vực ngoại thành. Theo các tác giả, nguyên nhân gây biến dạng LMĐ là do tác động của hoạt động kinh tế trên mặt đất và một phần là do khai thác NDĐ.
Hình 4.4. Biến dạng lún mặt đất từ 12/2003 đến 05/2004
Ngồi hiện tượng ngập, trong vùng nghiên cứu cịn xuất hiện hiện tượng trồi ống chống giếng khoan được phát hiện và ghi nhận năm 2002,
khi một giếng khoan khai thác nước tại thị trấn An Lạc thuộc Bình Tân (Bình Chánh cũ) bệ giếng khoan bị trồi lên và làm nứt nền giếng. Sau đĩ từ năm 2003 đã tiến hành điều tra và theo dõi độ trồi ống chống (xem Hình 4.5; 4.6; 4.7; 4.8; 4.9 ; 4.10, Bảng 4.1).
Hình 4.5. Trồi ống chống tại giếng khai thác số 3, khu cơng nghiệp Lê Minh Xuân, Bình Chánh với độ trồi 19 cm (X:667814; Y:1187803)
Hình 4.6. Trồi ống chống tại giếng khai thác số 1, khu cơng nghiệp Tân Tạo, Bình Tân với độ trồi 30 cm (X:674762; Y:1186710)
Hình 4.7. Nền nhà bị hẫng do lún tại nhà làm việc của Ban quản lý khu cơng nghiệp Tân Tạo.
Hình 4.8. Trồi ống chống tại giếng khai thác nước Phường 11, Quận 6, độ trồi 22 cm (X:678011; Y:1188078), đã ngưng khai thác.
Hình 4.9. Trồi ống chống tại giếng khai thác nước Phường 10, Quận 6, độ trồi 18 cm (X:677815; Y:1187850), đã ngưng khai thác.
Bảng 4.1: Độ trồi ống chống giếng khoan năm 2007
Số
TT Vị trí
Độ trồi ống chống (cm)
1 Cơng ty Bình Tiên-P.10, Quận 6 22,0
2 C.ty cấp nước thành phố –P.11, Q6 22,0 3 C.ty cấp nước thành phố –P.10, Q6 18,0 3 C.ty cấp nước thành phố –P.10, Q6 18,0
4 Trạm quan trắc-Quận Bình Tân 22,0
5 C. ty Nam Long-Quận Bình Tân 17,5
7 T. tâm NSH&VSMT NT*, Phước Kiểng, Nhà Bè 04,0 8 T. tâm NSH&VSMT NT, Phước Kiểng, Nhà Bè 03,0 8 T. tâm NSH&VSMT NT, Phước Kiểng, Nhà Bè 03,0 9 T. tâm NSH&VSMT NT, P.An Lạc A, Bình Tân 03,5 10 T.tâm NSH&VSMT NT, Lê Minh Xuân,Bình Chánh 04,0 11 Khu cơng nghiệp Lê Minh Xuân (Giếng số 3) 19,0 12 Khu cơng nghiệp Lê Minh Xuân (Giếng số 5) Bị nứt nền 13 Khu cơng nghiệp Tân Tạo (Giếng số 1) 30,0 14 Khu cơng nghiệp Tân Tạo (Giếng số 2) 02,5 15 Khu cơng nghiệp Tân Tạo (Giếng số 3) 08,0 16 Khu cơng nghiệp Tân Tạo (Giếng số 4) Bị nứt nền
* Trung tâm nước sinh hoạt và vệ sinh mơi trường nơng thơn
Qua tài liệu về trồi ống chống giếng khoan cho thấy hiện tượng này chỉ xảy ra đối với các giếng khoan nằm ở khu vực phân bố các trầm tích Holocen (Kiểu mặt cắt cấu trúc hai) ở các Quận 12, Quận 6, Thủ Đức, Bình Tân, Bình Chánh, Nhà Bè. Một điểm chung hiện tượng trồi ống chống chỉ xảy ra ở các giếng khoan khai thác từ hai tầng chứa nước Pliocen trên và dưới. Độ trồi ống chống thay đổi từ nứt nền đến 30,0 cm. Hiện nay
đã cĩ một số cơng trình khai thác phải ngưng khai thác do lún xung quanh giếng phá hỏng nền cơng trình, lưu lượng khai thác giảm, chất lượng nước xấu đi. Nguyên nhân cĩ thể trong quá trình khai thác đã làm mực nước áp lực hạ thấp dẫn đến làm cho các lớp đất bị nén đặc biệt là lớp thấm nước yếu gây hư hại đoạn ống lọc.
Từ những hiện tượng và phân tích như trên cĩ thể đưa ra một số kết luận sau:
+ Hiện tượng trồi ống chống các giếng khoan và ngập lụt là do mặt đất một số nơi bị hạ thấp đặc biệt là khu vực phân bố các trầm tích Holocen. Nguyên nhân là do tăng tải trọng trên mặt (san nền, xây dựng cơng trình dân dụng) và do khai thác NDĐ, trong đĩ lún mặt đất do tăng tải trọng trên mặt chiếm ưu thế.
+ Lún do khai thác nước trong vùng nghiên cứu là do khai thác nước từ hai tầng chứa nước Pliocen trên và dưới là chủ yếu, LMĐ do khai thác nước từ tầng Pleistocen khơng đáng kể.
+ LMĐ là do nén của các lớp chứa nước (đất hạt thơ) và các lớp thấm nước yếu (đất hạt mịn) nằm ở nĩc và đáy tầng chứa nước và xen kẹp trong các lớp chứa nước. Thời gian nén của các lớp hạt thơ xảy ra nhanh hơn các lớp hạt mịn và lượng nén của các lớp đất hạt thơ khơng đáng kể.
4.2. Điều kiện, cơ chế lún mặt đất 4.2.1. Điều kiện
Cĩ hai điều kiện chính gây ra LMĐ do khai thác NDĐ một là cĩ sự khai thác nước từ các tầng chứa nước đến mức làm thay đổi cân bằng áp lực trong hệ thống tầng chứa nước, điều kiện này quyết định mức độ LMĐ ít hay nhiều. Hai là điều kiện địa chất, ĐCTV, ĐCCT vùng khai thác nước, điều kiện này quyết định qui mơ, cường độ của LMĐ. Các khu vực cĩ điều kiện mơi trường dễ xảy ra lún là các đồng bằng tích tụ cĩ các lớp bồi tích mà phần trên là đất hạt thơ và phần dưới là đất hạt mịn, ở các khu vực đất thường bị ngập nước như các bãi bồi cĩ các lớp đất thơ mịn xen kẹp, các
trầm tích thung lũng sơng, đồng bằng châu thổ cĩ trầm tích nguồn gốc biển xen trầm tích nguồn gốc lục địa và cĩ tầng sét tương đối dày, trầm tích ở các bồn kiến tạo, bồn trũng ven biển, nội địa, bồi tích [56].
4.2.2. Cơ chế lún mặt đất
LMĐ do khai thác NDĐ đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Khi nghiên cứu tầng chứa nước Dakota-Mỹ, O.E. Meinzer (1925) đã phát hiện ra tầng chứa nước cĩ áp bị nén lại khi mực nước hạ thấp; tải trọng nén của tất cả các lớp đất trên nĩc tầng chứa nước được giữ cân bằng là nhờ cĩ một phần áp lực thủy tĩnh và một phần là áp lực hiệu dụng. Khi mực nước áp lực hạ thấp sẽ làm áp lực thủy tĩnh giảm, áp lực hiệu quả tăng và cĩ thể tăng đến 50%.
Qua nghiên cứu lý thuyết tốn về sự truyền nhiệt và dịng ngầm chuyển động khơng ổn định đến giếng khoan khai thác nước, Theis (1935) lần đầu tiên ơng đưa ra một cơng thức cĩ liên quan đến sự thốt nước của tầng chứa nước cĩ áp theo thời gian, đĩ là “Độ nhả nước đàn hồi” là thể tích nước nhả ra từ một tầng chứa nước cĩ áp cĩ chiều dày mét, cĩ diện tích một đơn vị khi mực áp lực giảm xuống một mét cột nước.
Jacob (1940) đã thừa nhận khi một tầng chứa nước chịu một áp lực nén thì đất đá và nước bị nén lại, khi áp lực giảm thì đất đá và nước nở ra đồng thời làm cho một thể tích nước thốt ra tự do và gây ra nén tầng chứa nước và các trầm tích lân cận nĩ. Ơng cho rằng sự nén của các trầm tích lân cận và các lớp hạt mịn là nguyên nhân chính gây LMĐ.
Theo lý thuyết nén cố kết một trục của Karl Terzaghi (1925), sự nén của đất là do thốt nước lỗ hổng của nĩ một cách dần dần. Ơng đã đưa ra cơng thức để xác định áp lực hiệu quả như sau:
P’ = P – U (4.1)
trong đĩ: P’-áp lực hiệu quả; P-tổng áp lực; U-áp lực lỗ hổng.
Lofgren (1968) đã phân tích và đưa ra ba loại áp lực cĩ liên quan đến sự nén của hệ thống tầng chứa nước. Một là áp lực trọng trường (áp lực địa tĩnh) gây ra bởi trọng lượng bản thân của đất nằm trên nĩc tầng chứa nước, áp lực này truyền qua các mối liên kết của các hạt đất. Hai là