Nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích ngược để nâng cao độ chính xác dự báo sụt lún mặt đất do khai thác nước ngầm ở Hà Nội

Nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp phân tích ngƣợc<br /> để nâng cao độ chính xác dự báo sụt lún mặt đất<br /> do khai thác nƣớc ngầm ở Hà Nội<br /> Nguyễn Huy Phƣơng1, Tạ Đức Thịnh1<br /> Nguyễn Huy Quang2, Nguyễn Sinh Minh3<br /> Nguyễn Văn Hƣng3<br /> <br /> Application the back analysis method for prediction of land subsidence<br /> caused by ground water withdrawal in Hanoi<br /> Abstract: Prediction of land subsidence caused by ground is difficult and<br /> complicated because it has been affected by many factors and they are always<br /> changed by time so we are not able to control them. This method of land<br /> subsidence prediction are used in practice now, by application the given<br /> value Cv, we obtain the results different with the dates given by observation<br /> stations.<br /> By back analysis method, we found the changing rule of Cv by time and it has been<br /> used in predict land subsidence to give more accurate results.<br /> <br /> <br /> 1. Đặt vấn đề Qua nghiên cứu tài liệu thí nghiệm nén cố<br /> Sụt lún mặt đất do khai thác nước ngầm kết trong phòng cho thấy các thông số quan<br /> xảy ra mạnh mẽ ở nhiều thành phố lớn của các trọng tham gia vào quá trình tính lún như hệ số<br /> nước trên thế giới như ở Mexicô, Italia, Mỹ, nén lún a, hệ số thấm k, và hệ số cố kết Cv<br /> Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan,... ở Hà Nội đều biến đổi theo thời gian. Đó chính là nguyên<br /> sự sụt lún mặt đất do khai thác nước ngầm nhân cần được xem xét đến khi dự báo lún mặt<br /> cũng đã xẩy ra và được khẳng định qua tài liệu đất.<br /> nhận được ở các trạm đo lún. Sự sụt lún mặt Chúng tôi tiến hành dự báo sự sụt lún mặt<br /> đất gây ra hiện tượng úng ngập, gây biến dạng đất theo phương pháp sử dụng lời giải bằng<br /> công trình, làm ô nhiễm nguồn nước ngầm,... thuật toán phân tích thành chuỗi số Furie với<br /> Công tác dự báo sụt lún hiện nay còn cho kết điều kiện thường dùng là các hệ số a, k và Cv<br /> quả chưa có độ chính xác, độ tin cậy cao. Vì không đổi theo thời gian. Sau đó kết hợp với<br /> vậy cần phải nghiên cứu để nâng cao độ chính các tài liệu quan trắc lún trên các trạm đo lún<br /> xác của phương pháp dự báo. được xử lý bằng mô hình toán thông kê tìm ra<br /> 2.Nội dung của phƣơng pháp hàm số Cv biến đổi theo thời gian t. Hàm số<br /> Dự báo lún mặt đất hiện nay thường áp nhận được lại được đưa vào để dự báo lún<br /> dụng các phương pháp khác nhau như theo thuật toán trên. Công tác dự báo lún được<br /> phương pháp giải phương trình vi phân áp lực tiến hành theo trình tự sau:<br /> thuỷ động bằng cách phân tích thành chuỗi số<br /> Furie, phương pháp sai phân hữu hạn, phương<br /> pháp phần tử hữu hạn. Điều kiện áp dụng<br /> thường xem các thông số a, k, Cv là không đổi.<br /> Chính vì vậy kết quả dự báo nhận được<br /> thường sai lệch với thực tế và sự sai lệch đó<br /> càng tăng lên theo thời gian.<br /> <br /> <br /> Địa kỹ thuật số 3-2005<br /> 6<br />  Trong quá trình tính toán chúng tôi đã tính<br /> theo biểu đồ tổng ứng suất và biểu đồ phân cấp<br /> tải trọng ứng với các mức của sự hạ thấp mực<br /> nước với các điều kiện Cv không đổi và Cv biến<br /> đổi theo thời gian. Qua tính toán có thể kết luận<br /> rằng, kết quả dự báo theo hai sơ đồ trên với điều<br /> kiện Cv không đổi đều sai lệch nhiều so với thực<br /> tế và sự sai lệch đó càng tăng lên theo thời gian,<br /> còn với điều kiện Cv = a x t +b gần với số liệu lún<br /> quan trắc được.<br /> 3.Kết quả tính toán dự báo.<br /> Dưới đây chúng tôi đưa ra kết quả tính toán<br /> của trạm Pháp Vân làm ví dụ.<br /> a. Dự báo theo phương pháp theo biểu đồ<br /> tổng ứng suất<br /> Nhà máy nước Pháp Vân xây dựng năm<br /> 1988, qua tham khảo tài liệu ĐCTV khu vực Hà<br /> Nội trước đây, mực nước ở đây có độ sâu 5 m<br /> cách mặt đất. Nhà máy nước bắt đầu khai thác<br /> năm 1989. Theo tài liệu quan trắc năm 1996 mực<br /> nước ngầm ở đây có độ sâu 20 m cách mặt đất.<br /> Tức là khoảng hạ thấp mực nước ngầm từ năm<br /> 1988 đến năm 1996 (H = 15 m. Trạm đolún được<br /> xây dựng từ năm 1996 và bắt đầu quan trắc từ<br /> năm 1997. Kết quả quan trắc được thể hiện<br /> trong hình 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Biều đồ lún bề mặt và mực nước đo được theo thời gian trạm Pháp Vân<br /> <br /> <br /> <br /> Địa kỹ thuật số 3-2005 6<br />  Bảng 1. Tính chất cơ lý của các lớp đất được trình bày trong bảng 1<br /> <br /> Tên lớp Lớp 2a Lớp 2b Lớp 3a Lớp 3b Lớp 4a Lớp 4b<br /> Hệ số rỗng e0.5-2.0 1.556 1.507 1.731 1.292 1.265 1.141<br /> Hệ số nén lún a0.5-2.0 (cm2/kG) 0.092 0.127 0.166 0.114 0.106 0.097<br /> Hệ số nén lún tương đối ao<br /> 0.036 0.051 0.061 0.049 0.047 0.045<br /> (cm2/kG)<br /> Hệ số thấm K0.5-2.0 x10-7(cm/s) 0.178 0.635 0.658 0.530 0.494 0.365<br /> <br /> * Địa tầng và sơ đồ ứng suất.<br /> STT Sè ChiÒu BÒ dµy ChiÒu T¶i<br /> líp líp M« t¶ s©u ®¸y líp ®Êt §Þa tÇng dµy hi träng pi S¬ ®å tÝnh lón<br /> ®Êt ®Êt líp (m) (m) m kG/cm2<br /> 2<br /> 1 1 §Êt lÊp thµnh phÇn hçn t¹p. 3.30 p1=0.56 (kG/cm)<br /> 3.30<br /> SÐt mµu n©u vµng, tr¹ng th¸i 1.7 5.0 m<br /> 2a 5 dÎo mÒm - dÎo cøng 3.0 0.56<br /> 6.3 1.3 0.69<br /> 2b SÐt mµu x¸m xanh, tr¹ng th¸i 7 0.7 0.7 0.76<br /> ch¶y<br /> 3a 3.0 3.0<br /> Bïn sÐt mµu x¸m ®en lÉn h÷u 10.0 1.06<br /> c¬<br /> 3b SÐt pha mµu x¸m ®en, tr¹ng 4.0 4.0<br /> th¸i ch¶y<br /> 14 1.46<br /> <br /> <br /> 4a SÐt pha mµu x¸m n©u, tr¹ng 6.0 6.0<br /> th¸i ch¶y.<br /> 13<br /> 20.0 m<br /> 20.0 2.06<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 13.0 13.0<br /> 4b SÐt pha mµu x¸m n©u, tr¹ng<br /> th¸i ch¶y, xen kÑp c¸c líp<br /> máng c¸t h¹t nhá<br /> <br /> <br /> <br /> 33.0 2.06<br /> <br /> p1=2.06 (kG/cm)2<br /> SÐt pha mµu n©u, vµng, ®á<br /> 5 15 loang læ, tr¹ng th¸i dÎo cøng - 7.00<br /> nöa cøng.<br /> <br /> 40<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Địa kỹ thuật số 3-2005<br /> 6<br />  Hình 2: Sơ đồ tính lún trạm Pháp Vân<br /> Chúng tôi đã thay mô hình nền nhiều lớp<br /> Thêi gian t(n¨m)<br /> thành nền đồng nhất giả định với hệ số Km = 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004<br /> 0<br /> 0.41 10-7 cm/s, Cvm = 26215 cm2/năm. 2<br /> §é lón<br /> dù b¸o<br /> <br /> <br /> Nhà máy nước Pháp Vân bắt đầu khai thác năm 4<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §é lón St(cm)<br /> 6<br /> <br /> 1989, và chúng tôi chọn mốc t0 là năm 1988, sử 8<br /> §é lón<br /> 10 quan tr¾c<br /> dụng các số liệu quan trắc từ năm 1997 đến năm 12<br /> <br /> 2003 tìm được hàm Cv biến đổi theo thời gian có 14<br /> <br /> 16<br /> dạng Cv = -300,47 t + 29088, với R = 0.95.<br /> Hình 4 : Biểu đồ tính lún theo thời gian tại trạm<br /> Pháp Vân<br /> 26500<br /> Bảng 2 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt<br /> 26000 Cv= -300.47 t + 29088 đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo<br /> kết quả tính toán (dự báo) và độ lún mặt đất theo<br /> HÖ sè cè kÕt Cv<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> R = 0.95<br /> 25500<br /> kết quả quan trắc<br /> 25000 Còn khi coi Cv là hằng số nhận được kết quả<br /> 24500<br /> dưới đây:<br /> Thêi gian t(n¨m)<br /> 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004<br /> 24000<br /> 0<br /> 0 5 10 15 20<br /> 2<br /> thêi gian t(n¨m)<br /> 4<br /> <br /> 6<br /> §é lón St(cm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §é<br /> lón<br /> 8<br /> dù<br /> Hình 3: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số cố kết Cv 10<br /> b¸o<br /> <br /> <br /> <br /> và thời gian t trạm Pháp Vân 12<br /> §é<br /> lón<br /> 14 quan<br /> tr¾c<br /> 16<br /> <br /> Kết quả dự báo độ lún khi sử dụng hàm Cv<br /> Hình 5 : Biểu đồ tính lún theo thời gian tại trạm<br /> nhận được ở trên cho kết quả như sau:<br /> Pháp Vân<br /> Bảng 2<br /> <br /> Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003<br /> Độ lún dự báo (Sdb,cm) 2.94 5.00 6.92 8.71 10.40 11.98 13.48<br /> Độ lún quan, trắc (Sqt,cm) 2.2 4.6 6.6 8.5 10.0 11.8 13.6<br /> | Sqt -Sdb | 0.74 0.40 0.32 0.21 0.40 0.18 0.12<br /> <br /> Bảng 3 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo kết<br /> quả tính toán(dự báo ) và độ lún mặt đất theo kết quả quan trắc<br /> Bảng 3<br /> <br /> Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003<br /> Độ lún dự báo (Sdb,cm) 2.80 5.10 7.30 9.40 11.41 13.35 15.21<br /> Độ lún quan,trắc(Sqt,cm) 2.2 4.622 6.613 8.537 10.04 11.87 13.63<br /> Sqt  Sdb 0.60 0.48 0.69 0.86 1.37 1.48 1.58<br /> <br /> <br /> b. Dự báo lún theo phương pháp phân cấp tải trọng tương ứng với sự hạ thấp mực<br /> <br /> <br /> Địa kỹ thuật số 3-2005 6<br /> nước. liệu quan trắc địa chất thuỷ văn cho thấy mực<br /> Như đã nêu ra ở trên khoảng hạ thấp mực nước được hạ thấp dần và ở đây chúng được<br /> nước (H = 15 m. Để tính toán và dự báo lún do chia thành các khoảng hạ thấp mực nước (H1,<br /> hạ thấp mực nước và san lấp, căn cứ vào các tài (H2,...<br /> Bảng 4<br /> <br /> Năm 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996<br /> H(m) 5 10 12 14 16 18 20<br /> (H(m) 5 2 2 2 2 2<br /> Trong bảng 6: Hi là độ sâu mực nước ngầm<br /> (H khoảng hạ thấp mực nước ngầm<br /> Líp Mæ t¶ BÒ Ký BÒ Thêi N¨m ChiÒu s©u Kho¶ng h¹ Gia t¨ng Gia t¨ng ¸p lùc ¸p lùc<br /> ®Êt dÇy hiÖu dÇy gian t mùc nø¬c thÊp mùc ¸p lùc P®l pi (kG/cm) g©y lón BiÓu ®å øng Su©t<br /> m líp m n¨m ngÇm H(m) nø¬ch(m) (do ®Êt lÊp) (do kh¶i th¸c nø¬c) Pi (kG/cm)<br /> <br /> §Êt lÊp thµnh phÇn 3.3<br /> 1 hçn t¹p<br /> <br /> SÐt mÇu n©u vµng,<br /> 2a tr¹ng th¸i dÎo 3 0 1988 5 0.56<br /> mÒm - dÎo cøng<br /> 2b SÐt mµu x¸m xanh,<br /> tr¹ng th¸i ch¶y<br /> 0.7 1 5<br /> 3a Bïn sÐt mµu x¸m<br /> 3 IIa<br /> ®en, lÉn h÷u c¬ 3 1991 10 5 0.56 0.5 1.06<br /> IIIa<br /> SÐt pha mµu x¸m 2 2<br /> 3b ®en, tr¹ng th¸i 4 1992 12 2 0.56 0.2 1.26<br /> ch¶y IVa<br /> 4 3 2<br /> 5 1993 14 2 0.56 0.2 1.46<br /> Va<br /> 4 2<br /> 6 1994 16 2 0.56 0.2 1.66<br /> SÐt pha mµu x¸m<br /> 4a n©u, tr¹ng th¸i 6 5 2 VIa<br /> ch¶y 7 1995 18 2 0.56 0.2 1.86<br /> VIIa<br /> 6 2<br /> 8 1996 20 2 0.56 0.2 2.06<br /> I IIb<br /> <br /> IIIb<br /> <br /> IVb<br /> SÐt pha mµu x¸m<br /> n©u, tr¹ng th¸i Vb<br /> 4b ch¶y, xen kÑp c¸c 13 7 13<br /> líp máng c¸t h¹t VIa<br /> nhá<br /> VIIa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6: Sơ đồ tính lún trạm Pháp Vân<br /> chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền được trình bày trong bảng 5<br /> Bảng 5<br /> <br /> Chỉ tiêu cơ lý Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Lớp 6 Lớp 7<br /> Bề dầy 5 2 2 2 2 2 13<br /> Hệ số nén lún tương đối(cm2/kG) 0.053 0.049 0.049 0.047 0.047 0.047 0.045<br /> Hế số thấm K (cm/s) 0.529 0.530 0.53 0.494 0.494 0.494 0.365<br /> <br /> <br /> Địa kỹ thuật số 3-2005<br /> 6<br />  Qua các tài liệu quan trắc tìm được hàm Cv = N¨m<br /> 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004<br /> -244.75 t + 27969 với R = 0.92. Sử dụng hàm Cv 0<br /> <br /> <br /> trên để tính toán dự báo độ lún cho kết quả dưới 5 §é lón dù<br /> b¸o<br /> đây. 10<br /> <br /> §é lón<br /> Thêi gian t(n¨m) 15 quan tr¾c<br /> 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §é lón St(cm)<br /> 0 20<br /> <br /> 2<br /> 25<br /> 4 §é<br /> lón dù<br /> §é lón St(cm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br /> b¸o<br /> 8 Hình 8: Biểu đồ tính lún theo thời gian<br /> 10<br /> §é lón<br /> tại trạm Pháp Vân<br /> 12 quan<br /> <br /> 14<br /> tr¾c Bảng 6 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt<br /> 16 đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo<br /> Hình 7: Biểu đồ tính lún theo thời gian kết quả tính toán (dự báo) và độ lún mặt đất theo<br /> tại trạm Pháp Vân kết quả quan trắc<br /> Bảng 6<br /> Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003<br /> Độ lún dự báo (Sdb,cm) 2.92 4.98 6.90 8.71 10.42 12.03 13.56<br /> Độ lún quan, trắc (Sqt,cm) 2.20 4.62 6.61 8.54 10.04 11.87 13.63<br /> | Sqt -Sdb | 0,72 0,36 0,29 0,17 0,38 0,16 0,07<br /> <br /> Tiếp theo là kết quả dự báo khi coi Cv không đổi theo thời gian ta được kết quả<br /> Bảng 7 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo kết<br /> quả tính toán(dự báo ) và độ lún mặt đất theo kết quả quan trắc<br /> Bảng 7<br /> Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003<br /> Độ lún dự báo (Sdb,cm) 3.8 7.1 10.2 13.1 15.8 18.4 20.8<br /> Độ lún quan,trắc(Sqt,cm) 2.20 4.62 6.61 8.54 10.04 11.87 13.63<br /> | Sqt -Sdb | 1.55 2.49 3.59 4.53 5.75 6.49 7.18<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Địa kỹ thuật số 3-2005 6<br />  Tính toán dự báo các trạm còn lại như Hạ Đình, Lương Yên, Thành Công, Mai Dịch cũng cho kết quả<br /> tương tự.<br /> 4.Kết luận<br /> - Phương pháp dự báo độ lún theo điều kiện a, k, Cv không đổi cho kết quả lớn hơn thực tế và độ sai<br /> lệch càng lớn theo thời gian.<br /> - Tài liệu quan trắc cho phép tìm được hàm Cv phụ thuộc tuyến tính và giảm dần theo thời gian<br /> - Sử dụng hàm Cv hợp lý nhất để đưa vào công thức tính toán dự báo độ lún cho kết quả chính xác<br /> hơn, khá gần với số liệu quan trắc. Tuy nhiên, trong tính toán dự báo đã bỏ qua một số lớp đất như : Cát,<br /> sét, sét pha quá cố kết.<br /> - Có thể hàm Cv biến đổi theo quy luật nhận được chỉ trong khoảng thời gian nào đó, cho nên công tác<br /> dự báo luôn luôn cần kiểm tra lại sự diễn biến của hàm Cv ở các thời gian tiếp theo để điều chỉnh dự báo<br /> cho phù hợp với thực tế.<br /> Tài liệu tham khảo<br /> 1.Shen Xiao Yu, Sun Su Wen, Zhon Guo Yun, Lin Dan and Zhang Rong Tang. Wuhan College of<br /> Geology. “Mathematical Model and Prediction of Subsidence in Ningbo City.”<br /> 2.hozer, thomas L, Dr, Johnso, A.Ivan “Land Subsidence Caused by Ground Water Withdrawal in<br /> Urban Areas“. jeojournal 11.3245-255.1985.<br /> 3.Chiang-Huai chen, Richasd Hwang, Mon & Associates. Inc Taipei. Taiwan. Roc. “Badc analysis of<br /> Subsidence due to filling and ground water loverring.”<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Một phƣơng pháp mới xác định hệ số độ cứng của cọc ở trạng<br /> thái làm việc<br /> Trần Hữu Hà*<br /> <br /> <br /> A new method to determine the stiffness coefficient of pile at service<br /> stage<br /> Abstract: Determination the stiffness coefficient of pile and pile groups<br /> subject to static or dynamic loads in complicated. It is usually solved by some<br /> different methods. Here, the author presents the new method to determine the<br /> stiffness coefficient of pile and pile group, subject to static loads at service<br /> stage based on the Gauss principle of extreme method, which was introduced<br /> by Prof.Dr. Ha Huy Cuong. This paper also introduces calculation results for<br /> static stiffness coefficient of single pile, and how it is affected by piles in the<br /> group.<br /> <br /> I - Đặt vấn đề trong đó:<br /> Trong tính toán công trình hiện nay, đặc biệt P(() - Tải trọng tác dụng ứng với tần số (.<br /> trong trường hợp chịu tải trọng động đất, phương S(() - Độ cứng động của cọc. S(() là đại<br /> pháp hệ số độ cứng động được sử dụng khá nhiều lượng phức, trong đó phần thực là độ cứng tĩnh<br /> [3]. Độ cứng động được hiểu như sau: và lực quán tính, còn phần ảo đặc trưng cho tính<br /> P(() = S(() . U(() (1) nhớt của môi trường, đặc biệt là xét được sự<br /> <br /> <br /> Địa kỹ thuật số 3-2005<br /> 6<br />