Nghiên cứu sử dụng hàm tương quan sử dụng nhiều biến dự báo độ lún mặt đất của khu vực phía nam hà nội cũ theo các mức khai thác nước khác nhau và kiến nghị lưu lượng khai thác hợp lý

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học mỏ - địa chất
---------

---------

Phùng hữu hải

Nghiên cứu sử dụng hàm tơng quan nhiều biến
dự báo độ lún mặt đất của khu vực phía nam Hà Nội cũ
theo các mức khai thác nớc khác nhau và kiến nghị
lu lợng khai thác hợp lý

LUN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hµ néi – 2010


Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học mỏ - địa chất
---------

---------

Phùng hữu hải

Nghiên cứu sử dụng hàm tơng quan nhiều biến dự báo độ
lún mặt đất của khu vực phía nam Hà Nội cũ theo các mức
khai thác nớc khác nhau và kiến nghị lu lợng khai
thác hợp lý
Chuyên ngành: Địa chất công trình

MÃ số: 60.44.65

LUN VN THC S K THUT

Ngời hớng dẫn khoa học
PGS. TS. Nguyễn Huy Phơng

Hà néi - 2010


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, cha từng
đợc ai công bố. Các số liệu và kết quả đợc nêu trong luận văn là trung thực

Tác giả của luận văn

Phùng hữu hải


Mục lục
Trang phụ bìa
Trang
Mục lục...
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt.....
Danh mục các bảng.
Danh mục các hình vẽ.
Mở đầu
1
5

Chơng 1: Tổng quan về vấn đề lún mặt đất do khai
thác nớc dới đất và lịch sử nghiên cứu..
1.1.Hiện tợng sụt lún mặt đất do khai thác nớc dới đất trên thế
5
giới..
6
1.2.Tình hình khai thác nớc dới đất và vấn đề sụt lún mặt đất ở Hà
Nội...
1.2.1.Hiện tợng hạ thấp mực nớc dới đất......
8
9
1.2.2. Hiện tợng lún mặt đất do khai thác nớc dới đất..
1.2.3. Hiện tợng lún nứt các công trình ở Hà nội .....
10
Chơng 2: Cơ sở lý thuyết các phơng pháp mô hình 13
tơng quan hàm nhiều biến và phơng pháp giải
tích...
2.1.Nguyên lý chuyển hóa áp lực trung tính thành áp lực hữu hiệu 13
19
2.2.Các phơng pháp dự báo lún mặt đất do khai thác nớc..
2.2.1.Phơng pháp giải tích
19
2.2.2. Phơng pháp sai phân 20
23
2.2.3. Giải bằng phơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) theo các bớc
sau...
2.2.4. Giải bằng phơng pháp phân tích ngợc: xem xét các đặc trng
24
biến dạng và thấm thay đổi theo thời gian t
24

2.2.5. Phơng pháp tích hợp
Chơng 3: điều kiện địa chất công trình khu vực
26
nghiên cứu
3.1.Phân chia đất nền khu vực nghiªn cøu…………………………….
26


3.2.Phân chia cấu trúc nền khu vực nghiên cứu.
3.3.Mô tả cÊu tróc nỊn khu vùc nghiªn cøu…………………………...
3.3.1.KiĨu cÊu tróc I (VP)……………………………………………..
3.3.2.KiĨu cÊu tróc II (TB/VP)………………………………………..
3.3.2.1.Phơ kiĨu II.1 …………………………………………………...
3.3.2.2.Phơ kiĨu II.2 …………………………………………………...
3.3.3. KiĨu cÊu tróc III (HH/VP)……………………………………...
3.3.3.1.Phơ kiĨu III.1 ………………………………………………....
3.3.3.2.Phơ kiĨu III.2…………………………………………………..
3.3.4. KiĨu cÊu tróc IV (TB/HH/VP)………………………………….
3.3.4.1.Phơ kiĨu cÊu tróc IV.1………………………………………...
3.3.4.2.Phơ kiĨu cÊu tróc IV.2………………………………………...
3.3.4.3.Phơ kiĨu cÊu tróc IV.3………………………………………...
3.3.4.4 Phơ kiĨu cấu trúc IV.4...
Chơng 4: Sử dụng phơng pháp tơng quan hàm
nhiều biến Dự báo lún mặt đất do khai thác Ndđ ở
khu vực nghiên cứu
4.1.Cơ sở của phơng pháp.
4.2.Xây dựng hàm mục tiêu St(Xi) và Vs(Xi) cho các dạng cấu trúc
nền khác nhau phân bố trong khu vực nghiên cứu..
4.2.1.Đối với cấu trúc nền không phân bố đất yếu
4.2.1.1.Dữ liệu đầu vào xây dựng hàm mục tiêu cho cấu trúc nền

không phân bố đất yếu
4.2.1.2.Xây dựng hàm mục tiêu St và VS cho cấu trúc nền không phân
bố đất yếu
4.2.2. Đối với cấu trúc nền phân bố một lớp đất yếu..
4.2.2.1.Dữ liệu đầu vào xây dựng hàm mục tiêu cho cấu trúc nền phân
bố một lớp đất yếu...
4.2.2.2. Xây dựng hàm mục tiêu St và VS cho cấu trúc nền phân bố
một lớp đất yếu..
4.2.3.Đối với cấu trúc nền phân bè hai líp ®Êt u……………………

33
37
37
38
38
49
41
41
41
43
43
44
46
47
49

49
52
53
53

56
60
60
63
68


4.2.3.1.Dữ liệu đầu vào xây dựng hàm mục tiêu cho cấu trúc nền phân
bố hai lớp đất yếu
4.2.3.2.Xây dựng hàm mục tiêu St và VS cho cấu trúc nền phân bố hai
lớp đất yếu...
4.3.Dự báo sụt lún mặt đất do khai thác NDĐ khu vực nghiên cứu
4.3.1.Mục đích ...
4.3.2.Các thông tin địa chất công trình phục vụ cho công tác dự báo.
4.3.3.Tính toán, dự báo sút .
4.3.4.Đặc điểm phân bố của các vùng, khu trong khu vực nghiên cứu...
Kết luận và kiến nghị..
Danh mục các công trình đ công bố của tác giả
Tài liệu tham khảo...

68
71
75
75
76
76
79
82

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Ký hiệu
R0
Qt
St
ĐCCT
ĐCTV
ĐHTN- KT
ĐKT
Bđy
H
Id

N30

Cv
a0m
r
R
HH
TB
VP
LMĐ
C
E0
N
NDĐ
'

U

qc
Vs
t
n
g

Đơn vị
kG/cm2
cm

m
m
độ
búa
3.14
cm2/năm
cm2/kG

kG/cm2
kG/cm2
kG/cm2
kG/cm2
kG/cm2
kG/cm2
mm/năm
năm, tháng
g/cm3

Giải thích
áp lực tính toán quy ớc

Độ cố kết
Độ lún theo thời gian
Địa chất Công trình
Địa chất thủy văn
Địa hệ tự nhiên kỹ thuật
Địa kỹ thuật
Chiều dầy lớp đất yếu
Chiều sâu mực nớc ngầm
Chỉ số dẻo
Góc ma sát trong của đất
Giá trị xuyên tiêu chuẩn
Hệ số
Hệ số cố kết
Hệ số nén lún tơng đối trung bình
Hệ số tơng quan giữa các yếu tố ĐKT
Hệ số tơng quan nhiều chiều
Hệ tầng Hải Hng
Hệ tầng Thái Bình
Hệ tầng Vĩnh Phúc
Lún mặt đất
Lực dính kết
Mô đun tổng biến dạng
Nhân cố kết
Nớc dới đất
ứng suất hữu hiệu
ứng suất tổng
ứng suất trung tính
Sức kháng xuyên đầu mũi
Tốc độ lún
Thời gian

Trọng lợng riêng của nớc
Tỷ trọng của yếu tố điều kiện ĐKT


Danh mục các bảng
Số hiệu
Bảng 3.1
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3

Bảng 4.4

Bảng 4.5
Bảng 4.6
Bảng 4.7
Bảng 4.8
Bảng 4.9

Bảng 4.10

Bảng 4.11
Bảng 4.12
Bảng 4.13

Tên bảng
Bảng phân chia cấu trúc nền khu vực nghiên cứu
Đặc tính ĐCCT các lớp đất nền tại trạm QTL Ngọc
Hà, Mai Dịch
Số liệu quan trắc tốc độ lún trung bình năm tại các

trạm QTL Ngọc Hà, Mai Dịch
Số liệu quan trắc độ lún theo thời gian tại các trạm
QTL Ngọc Hà, Mai Dịch
Các hệ số tơng quan cặp đôi của các thông số T,
H, aom, lập theo số liệu quan trắc tại các trạm QTL
Ngọc Hà, Mai Dịch
Các hệ số tơng quan cặp đôi của các thông sô S,
H, a0m, lập theo số liệu quan trắc tại các trạm QTL
Ngọc Hà, Mai Dịch
Kết quả dự báo lún tại trạm Mai Dịch
Các đặc trng của đất nền tại các trạm QTL Pháp
Vân, Lơng Yên, Tơng Mai
Số liệu quan trắc tốc độ lún trung bình năm tại các
trạm Pháp Vân, Lơng Yên, Tơng Mai
Số liệu quan trắc độ lún theo thời gian tại các trạm
Pháp Vân, Lơng Yên, Tơng Mai
Các hệ số tơng quan cặp đôi của các thông số St,
T, H, a0m, By, lập theo số liêu quan trắc tại trạm
QTL Pháp Vân, Lơng Yên, Tơng Mai
Các hệ số tơng quan cặp đôi giữa các thông số St,
H, aom, Bđy, lập theo số liêu quan trắc tại trạm QTL
Pháp Vân, Lơng Yên, Tơng Mai
Kết quả dự báo lún tại trạm Pháp Vân, Lơng Yên
Các đặc trng địa chất công trình của đất nền tại
các trạm Hạ Đình, Thành công

Trang
35
53
54

54

56

58
59
61
62
62

64

66
67
69


B¶ng 4.14
B¶ng 4.15

B¶ng 4.16

B¶ng 4.17
B¶ng 4.18
B¶ng 4.19

B¶ng 4.20

B¶ng 4.21

Sè liƯu quan trắc tốc độ lún trung bình năm tại các
trạm QTL Thành Công, Hạ Đình
Số liệu quan trắc độ lún theo thời gian tại các trạm
QTL Thành Công, Hạ Đình
Các hệ số tơng quan cặp đôi của các tham số St,
T, H, aom, Bđy, lập theo số liệu quan trắc tại các
trạm QTL Thành Công, Hạ Đình
Các hệ số tơng quan cặp đôi giữa các thông số St,
H, aom, Bđy, lập theo số liệu quan trắc tại các trạm
QTL Thành Công, Hạ Đình
Kết quả dự báo lún tại trạm Hạ Đình
Bảng phân chia các vùng trên Bản đồ phân vùng
mức độ nhạy cảm với sụt lún mặt đất do khai thác
nớc dới đất khu vực phía nam Hà Nội cũ.
Bảng phân chia các khu trên Bản đồ phân vùng
mức độ nhạy cảm với sụt lún mặt đất do khai thác
nớc dới đất khu vực phía nam Hà Nội cũ
Bảng thống kê các vùng, khu trên Bản đồ phân
vùng mức độ nhạy cảm với sụt lún mặt đất do khai
thác nớc dới đất khu vực phía nam Hà Nội cũ

69
70

72

73
75
78

78

79


Danh mục các hình vẽ
Số hiệu
Hình 1. 1
Hình 2.1
Hình 3.1
Hình 3.2
H×nh 3.3
H×nh 3.4
H×nh 3.5
H×nh 3.6
H×nh 3.7
H×nh 3.8
H×nh 3.9
H×nh 3.10
H×nh 4.1
H×nh 4.2
H×nh 4.3
H×nh 4.4
H×nh 4.5
H×nh 4.6
H×nh 4.7
H×nh 4.8
H×nh 4.9
H×nh 4.10
H×nh 4.11

H×nh 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14.a
Hình 4.14.b
Hình 4.15

Tên hình vẽ
Tổng công suất bơm hút từ 1994- T.2 1999 tại 8
nhà máy nớc chính của Hà Nội.
Sơ đồ chuyển hoá áp lực nớc lỗ rỗng thành áp lực
hữu hiệu trong quá trình hút nớc ở tầng áp lực
Mặt cắt ĐCCT
Chú giải mặt cắt ĐCCT
Bản đồ phân vùng cấu trúc nền khu vực nghiên cứu
Hình trụ đặc trng cho kiểu cấu trúc I
Hình trụ điển hình của phụ kiểu cấu trúc II.1
Hình trụ điển hình của phụ kiểu cấu trúc II.2
Hình trụ điển hình của phụ kiểu III.2
Hình trụ điển hình của phụ kiểu IV.1
Hình trụ điển hình của phụ kiểu IV.2
Hình trụ điển hình của phụ kiều IV.3
CT nền đặc trng trạm QTL Mai Dịch, Ngọc Hà
Biểu đồ độ lún theo thời gian Trạm Ngọc Hà
Biểu đồ độ lún theo thời gian Trạm Mai Dịch
Biểu đồ tốc độ lún trung bình năm Trạm Ngọc Hà
Biểu đồ tốc độ lún trung bình năm Trạm Mai Dịch
CT nền đặc trng trạm QTL Pháp Vân, Lơng
Yên, Tơng Mai
Biểu đồ độ lún theo thời gian Trạm Pháp Vân
Biểu đồ độ lún theo thời gian Trạm Lơng Yên

Biểu đồ tốc độ lún trung bình năm Trạm Pháp
Vân
Biểu đồ tốc độ lún trung bình năm Trạm Lơng
Yên
CT nền đặc trng trạm QTL Hạ Đình, Thành Công
Biểu đồ độ lún theo thời gian Trạm Hạ Đình
Biểu đồ tốc độ lún trung bình năm Trạm Hạ Đình
Bản đồ mực nớc tầng qp năm 2010
Bản đồ mực nớc tầng qp năm 2030
Bản đồ phân vùng mức độ nhạy cảm với sụt lún
mặt đất do khai thác NDĐ khu vực phía nam Hà
Nội

Trang
7
15
31
32
36
37
39
40
42
43
45
46
53
57
57
59

59
61
65
65
67
67
69
73
74
76
76
81


1
Mở đầu
1.Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, quá trình đô thị hoá diễn ra rất nhanh ở nhiều
địa phơng trong cả nớc, đặc biệt là thủ đô Hà Nội. Trong năm 2009, địa giới
hành chính của Hà Nội đ đợc mở rộng rất lớn, Thành phố Hà Nội mới bao
gồm Hà Nội cũ, tỉnh Hà Tây, huyện Mê Linh (tỉnh Vĩnh Phúc) và hai x Tiến
Xuân, Lơng Sơn (tỉnh Hoà Bình). Đ có nhiều dự án mở rộng thành phố Hà
Nội về phía Tây Nam, Tây Bắc nh xây dựng khu đô thị mới Định Công, hồ
Linh Đàm, Định Công- Đại Kim, Văn Quán, Trung Yên, Yên Hoà, Đông
Nam Trần Duy Hng, Trung Hoà - Nhân Chính, khu Mỹ Đình, khu Nam
Thăng Long... Cùng với sự phát triển thành phố văn minh, hiện đại, dân c
sống tại Hà Nội cũng không ngừng tăng lên. Nhu cầu sử dụng nớc sinh hoạt
và nớc công nghiệp cũng tăng, do đó các nhà máy tăng công suất khai thác
nớc, mực nớc ngầm bị hạ thấp đáng kể (có khu vực mực nớc ngầm sâu tới
15-20m), chất lợng nớc ngày càng bị ảnh hởng, đồng thời hiện tợng sụt

lún mặt đất cũng phát triển mạnh, nhất là từ những năm 1980 cho đến nay.
Một số lợng lớn công trình đ ổn định trong nhiều năm lại tiếp tục lún, lún
nhiều và bị h hỏng. Nhiều cơ sở hạ tầng cũng xuống cấp và giảm tính năng
sử dụng nh hệ thống cấp thoát nớc, đờng, cầu cống,...
Nh vậy, việc dự báo sụt lún mặt đất do khai thác nớc dới đất khu vực
Hà Nội là rất quan trọng để có định hớng cho việc khai thác và bảo vệ tài
nguyên nớc dới đất, bố trí các nhà máy nớc một cách hợp lý, đánh giá mức
độ ảnh hởng, cũng nh có biện pháp xử lý nhằm hạn chế rủi ro, thiệt hại,
nhất là khi xây dựng các công trình trong vùng chịu ảnh hởng của lún mặt
đất.
Tuy nhiên, các kết quả dự báo theo lý thuyết cho đến nay và quan trắc
thực tế thờng không trùng hợp với nhau. Điều kiện biên trong tính toán


2
thờng giới hạn trong phạm vi hẹp, trong khi đó vấn đề lún mặt đất rất phức
tạp, chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố. Vì vậy, việc đánh giá mức độ ảnh hởng
của các yếu tố đến lún mặt đất là một hớng đáng tin cậy, xây dựng hàm
tơng quan nhiều biến giữa độ lún và các yếu tố ảnh hởng đến lún. Sử dụng
hàm này tính toán độ lún sẽ giúp chúng ta dự báo lún mặt đất một cách chính
xác hơn, đầy đủ hơn.
Nhiều tài liệu nghiên cứu khác nhau ở Hà Nội đ khẳng định phần phía
Nam sông Hồng nơi tập trung các nhà máy khai thác nớc lớn, đất yếu phân
bố rộng r i, hàm lợng hữu cơ và chiều dầy lớn nên xảy ra lún rất mạnh. Mặt
khác, khu vực này là trung tâm văn hoá, chính trị của cả nớc, nơi tập trung
các cơ quan, nhà máy, xí nghiệp, các công trình trọng điểm của quốc gia, dân
c đông đúc, nên là đối tợng cần đợc nghiên cứu. Do đó tôi đ chọn đề tài
Nghiên cứu sử dụng hàm tơng quan nhiều biến dự báo độ lún mặt đất
của khu vực phía nam Hà Nội cũ theo các mức khai thác nớc khác nhau
và kiến nghị lu lợng khai thác hợp lý .

2.Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu khả năng sử dụng mô hình tơng quan hàm nhiều biến để dự
báo sụt lún mặt ®Êt cđa khu vùc phÝ nam Hµ Néi cị theo các mức khai thác
nớc khác nhau, từ đó kiến nghị lựa chọn lu lợng khai thác hợp lý.
3.Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Khu vực phía nam Hà Nội cũ bao gồm các quận Hoàn Kiếm, Hai Ba
Trng, Đống Đa, Ba Đình, Hoàng Mai, Cầu Giấy, huyện Từ Liêm, Thanh Trì
4.Đối tợng nghiên cứu của đề tài
Hiện tợng lún mặt đất do khai thác nớc dới đất, khả năng sử dụng mô
hình tơng quan hàm nhiều biến để dự báo giá trị lún.


3
5.Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Cơ sở lý thuyết, phơng pháp dự báo lún mặt đất do khai thác nớc dới
đất, đặc biệt là mô hình tơng quan hàm nhiều biến;
- Điều kiện ĐCCT khu vực nghiện cứu;
- Phân chia cấu trúc nền khu vực nghiên cứu;
- Dự báo và xây dựng các bản đồ lún mặt đất theo các mức khai thác
khau;
- Kiến nghị lu lợng khai thác hợp lý.
6.Phơng pháp nghiên cứu của đề tài
Để đạt đợc mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài đặt ra, các
phơng pháp nghiên cứu đợc sử dụng bao gồm:
- Phơng pháp tổng hợp và phân tích tài liệu;
- Phơng pháp tính toán lý thuyết, phơng pháp tơng quan hàm nhiều
biến;
- Phơng pháp lập bản đồ ĐCCT chuyên môn;
- Phơng pháp phân tích hệ thống.
7. ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài

- Tiếp cận và ứng dụng một số phơng pháp tính toán dự báo lún mặt đất
do khai thác nớc dới đất, nhất là phơng pháp mô hình tơng quan hàm
nhiều biến.
- Xây dựng đợc bản đồ dự báo lún mặt đất theo các mức khai thác nớc
khác nhau sẽ giúp cho công tác quản lý và sử dụng tài nguyên nớc ở khu vực
Hà Nội hợp lý, hiệu quả hơn.


4
8.Cơ sở tài liệu của đề tài
Đề tài đợc xây dựng trên cơ sở các kết qủa đ đợc nghiên cứu và công
bố, các tài liệu đợc sử dụng có thể kể đến nh sau:
- Đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm của TP Hà Nội Thu thập kiểm
chứng các tài liệu đ có, nghiên cứu bổ sung lập bản đồ phân vùng đất yếu
Hà Nội phục vụ phát triển bền vững thủ đô do PGS. TS Nguyễn Huy
Phơng chủ trì.
- Bản đồ dự báo mực nớc dới đất khu vực phía nam Hà Nội cũ với các
mức khai thác nớc khác nhau Đề tài nghiên cứu đánh giá và dự báo sự
suy thoái trữ lợng và chất lợng nớc dới đất do khai thác nớc khu vực
thành phố Hà Nội, kiến nghị lu lợng khai thác hợp lý;
- Các báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học về nớc dới đất ở khu vực Hà
Nội;
- Các báo cáo khảo sát ĐCCT cho các công trình ở Hà Nội;
- Các báo cáo kết quả quan trắc lún mặt đát ở Hà Nội do khai thác nớc
dới đất.
Trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp tại Bộ môn ĐCCT, tôi
đ nhận đợc rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô trong Bộ môn, đặc biệt là
PGS. TS Nguyễn Huy Phơng cùng ban l nh đạo Bộ môn. Tôi xin chân thành
cảm ơn các thầy cô đ giúp đỡ tôi hoàn thành khoá học và luận văn, kính chúc
các thầy cô mạnh khoẻ, hạnh phúc.

5
Chơng 1
Tổng quan về vấn đề lún mặt đất do khai thác
nớc dới đất và lịch sử nghiên cứu
1. 1. Hiện tợng sụt lún mặt đất do khai thác nớc dới đất trên thế giới
Để phục vụ nhu cầu nớc sạch cho sinh hoạt và công nghiệp, nhiều nớc
trên thế giới đ sử dụng nguồn nớc dới đất. Vì thế, quá trình khai thác nớc
dới đất diễn ra ngày nhiều, càng m nh liệt trên thế giới. Chính việc khai thác
không hợp lý đ làm cho môi trờng địa chất bị thay đổi. Khi mực nớc bị hạ
thấp, trạng thái của đất đá ( chứa nớc và cách nớc ) bị thay đổi, áp lực thuỷ
tĩnh giảm đi, đồng thời áp lực hữu hiệu của lớp đất tăng lên. Dới tải trọng
công trình và tải trọng của bản thân, đất đá bị nén chặt lại, từ đó gây nên biến
dạng lún mặt đất nói chung và lún công trình nói riêng. Vấn đề lún mặt đất ở
nhiều quốc gia trên thế giới do khai thác nớc dới đất đ trở thành thảm hoạ,
gây thiệt hại về kinh tế cũng nh môi trờng sinh thái.
Một trong những vùng xảy ra sụt lún mặt đất m nh liệt trên thế giới do
khai thác nớc dới đất đó là thành phố Venice ( Italia). Thành phố nổi tiếng
trên thế giới này đ bị sóng biển đe dọa gây ngập lụt do sụt lún mặt đất trong
giai đoạn từ 1930 - 1973, nguyên nhân chủ yếu do bơm khai thác nớc dới
đất phục vụ cho công nghiệp tại vùng nằm cách xa cảng chính Marghera
chõng 7 km ( Gambolati vµ Freeze, 1973 ).
NhiỊu vïng của thành phố Mexico bị sụt lún, có chỗ lên tíi 8 m tõ khi
hót n−íc víi l−u l−ỵng lín vào năm 1938 ( Poland, 1969 ). Sụt lún mặt đất lớn
nhất quan sát đợc tại thành phố Tokyo và Osaka ( Nhật bản ) là 3 - 4 m vào
những năm 1928 - 1943. Tại Đài loan, có chỗ sụt lún đạt đến 1 m ( Poland,
1969 ). Nhiều vïng cđa Lodon ( Anh ) bÞ sơt lón tõ 6 - 18 cm trong giai đoạn
từ 1865 - 1931 do quá trình nén lún của các lớp sét dày khi bị hạ thấp mực
nớc dới đất ( Poland và Davis, 1969 ).

6
Hiện tợng sụt lún mặt đất do khai thác nớc dới đất còn quan sát thấy
ở nhiều nơi trên thế giíi nh− thung lịng San Joaquin bang California (chõng
8.5m), thung lũng Santa Clara bang California (khoảng 4m-Poland, 1969),
trung tâm Arizona (2.3m), vùng nớc nóng Wairakei, NewZealand (4m, tính
từ năm 1956), vïng Wilmington, bang California (sơt lón 3.7m, dÞch chun
ngang 3.7m)
ThÊy rõ nguy cơ của việc khai thác nớc dới đất bất hợp lý nên nhiều
nớc trên thế giới đ tiến hành nghiên cứu hiện tợng này một cách khoa học,
có hệ thống, những nớc đ đạt nhiều thành tựu trong nghiên cứu phải kể đến
nh Mỹ, Nhật Bản, Mehico, Thái Lan, Trung Quốc.
ở Việt Nam, vấn đề lún mặt đất do khai thác nớc dới đất còn khá mới
mẻ và mới chỉ nghiên cứu ở một số đô thị lớn nh Hà Nội, thành phố HCM,
Hải Phòng.
1. 2. Tình hình khai thác nớc dới đất và vấn đề sụt lún mặt đất ở Hà
Nội
Vào những năm đầu thế kỷ 19, thực dân Pháp đ khai thác nớc tại Hà
Nội với công suất khoảng 15,000 m3/ ngđ. Công suất khai thác đợc duy trì và
có tăng chút ít cho đến tận những năm 50 khi đó công suất khai thác vào
khoảng 22,000-25,000 m3/ ngđ. Sau khi Thủ đô đợc giải phóng, công suất
khai thác đ tăng lên 141,000 m3/ ngđ vào những năm 60 và 173,000 m3/ ngđ
trong những năm 70. Từ năm 1985, đợc sự giúp đỡ của Chính phủ nớc Phần
Lan, tại phần Nam sông Hồng công suất khai thác nớc tăng đáng kể từ
200,000 m3/ ngđ ( 1985 ) đến 320,000 m3/ngđ ( 1994 ), còn phía Bắc sông
Hồng mới có hai trạm Gia Lâm, Sài Đồng với công suất 11,000 m3/ ngđ, một
trạm ở Đông Anh với công suất 6,240 m3/ ngđ, một trạm ở sân bay Nội Bài
với công suất 4,060 m3/ ngđ.

(

7

Công suất bơm hút
3
1 000 m / ngđ )

400

325.607

322.786

1994

1995

326.154

340.306

1996

1997

349.301

352.297

1998

1999

300

200
Thời gian ( năm )

Hình 1. 1 : Tổng công suất bơm hút từ 1994- T.2 1999 tại 8 nhà máy nớc
chính của Hà Nội.
Hiện nay, Hà Nội có tất cả 17 nhà máy khai thác nớc dới đất với 131
giếng, chiều sâu khai thác 56 m ( Mai Dịch ) - 81 m ( Tơng Mai ). Ngoài ra ,
còn có thêm hàng nghìn lỗ khoan khai thác đơn lẻ, lỗ khoan của Chơng trình
UNICEF và các hộ t nhân với công suất khai thác 71,314 m3/ngđ (7 quận nội
thành, huyện Từ Liêm và Thanh Trì), 32,523 m3/ ngđ ( huyện Đông Anh, Sóc
Sơn và Gia Lâm ). Theo kế hoạch, Hà Nội sẽ xây dựng thêm một số nhà máy
mới và cải tạo các nhà máy cũ nhằm nâng cao công suất khai thác. Dự kiến
công suất khai thác nớc tại Hà Nội lên đến 700,000 m3/ ngđ vào năm 2010
và tiếp tục tăng hơn nữa.
Nh vậy, lịch sử khai thác nớc dới đất ở Hà Nội có hai bớc nhảy quan
trọng đối với công suất khai thác nớc. Bớc nhảy đầu tiên là vào những năm
55 - 65, là những năm hoạt động phát triển kinh tế sau khi hoà bình lập lại.
Bớc nhảy thứ hai là vào những năm 85 - 95 khi chơng trình nớc Phần Lan
đi vào hoạt động.
Cùng với việc tăng công suất khai thác nớc tại Hà Nội, mực nớc ngầm
hạ thấp đáng kể, các chất bẩn ở trên thấm xuống dới gây ô nhiÔm nguån

8
nớc, hiện tợng sụt lún mặt đất đ và đang tiếp diễn, nhất là từ những năm
1980 cho đến nay.
Một số lợng lớn công trình đ ổn định trong nhiều năm lại tiếp tục lún
và lún nhiều, bị h hỏng. Đồng thời với quá trình sụt lún mặt đất, hiện tợng
lầy úng trớc kia chủ yếu ở khu vực Giảng võ, Thành công, .... nay có nguy cơ
ngày càng phát triĨn, më réng. HiƯn t−ỵng lơt léi khi trêi m−a lớn đ xảy ra
tại nhiều tuyến phố. Sau đây, tôi điểm qua từng vấn đề.
1. 2. 1. Hiện tợng hạ thấp mực nớc dới đất
Hà Nội đ và đang khai thác nớc dới đất trong tầng qh và qp. Tầng qh
phân bố trong cát bồi tích tầng Thái bình và bị kẹp giữa hai tầng cách nớc.
Tầng chứa nớc qh thờng có chất lợng không tốt, lu lợng nhỏ và dễ nhiễm
bẩn do nằm quá nông. Chủ yếu các nhà máy nớc ở Hà nội khai thác nớc
dới đất trong tầng qp ( qp1 và qp2 ). Đây là tầng chứa nớc phong phú với bề
dày lớn, chất lợng tốt.
Trong những năm 80 và trở về trớc, mực nớc dới đất nằm rất nông ( 2
- 4 m, có nơi 8 - 10 m ) nh−ng cho ®Õn nay, mùc nớc dới đất hạ xuống sâu,
có chỗ rất sâu. Ví dụ nh sau:
- Khu vực Hạ Đình : vào năm 1965, mực nớc dới đất cách mặt đất 3 - 4
m, nh−ng cho ®Õn nay mùc n−íc d−íi ®Êt ® tụt xuống độ sâu 31 - 32 m.
- Khu vực Mai Dịch : vào năm 1990, mực nớc dới đất cách mặt đất 8 10 m, còn hiện tại mực nớc dới đất đ hạ xuống độ sâu 23 - 24 m.
- Khu vực Thành Công : mực nớc dới đất sâu 16 m so với mặt đất mà
khu vực xung quanh hầu nh không có giếng khoan khai thác nào.
- Khu vực phờng Yên Phụ : lớp cát mịn tầng Thái Bình đ bị tháo khô
hoàn toàn , rời rạc đến độ sâu 8 m và mực nớc dới ®Êt 10 - 12 m so víi mỈt
®Êt.


9
Đi kèm với hạ thấp mực nớc, hiện tợng nhiễm bẩn tầng chứa nớc

ngày càng tăng. Theo số liệu gần đây của Trạm vệ sinh phòng dịch Thành phố
Hà Nội ( 1997 ), có 3 nhà máy nớc có nguy cơ không đủ điều kiện vệ sinh
cho sinh hoạt vì độ nhiễm bẩn ( về cả thành phần lẫn diện phân bố ) ngày càng
tăng. Đó là các nhà máy nớc Pháp Vân, Hạ Đình, Tân Mai tại khu vực phía
Nam Hà Nội. Sự nhiễm bẩn ở đây bao gồm nhiễm bẩn sắt, măng gan, ni tơ.
Hàm lợng thuỷ ngân, một số các hợp chất hữu cơ đ vợt quá giới hạn cho
phép. Chính vì lý do nhiễm bẩn nghiêm trọng này, kế hoạch tăng công suất
nhà máy nớc Pháp Vân lên tới 60,000 và 80,000 m3/ ngđ đ bị huỷ bỏ và kế
hoạch xây dựng nhà máy nớc phần phía Nam Thành phố phải xem xét lại.
1. 2. 2. Hiện tợng lún mặt đất do khai thác nớc dới đất
Quá trình khai thác nớc dới đất tại Hà Nội bắt đầu từ năm 1909, nhng
cho đến những năm 80, vấn đề sụt lún mặt đất do khai thác nớc vẫn cha
đợc nghiên cứu. M i đến năm 1988, tức là sau 80 năm khai thác nớc, Trần
Minh, Tô Văn Nhụ, Phạm Lợi Vũ, Nguyễn Hoàn Thành ( Đoàn 64 ) trên cơ sở
các tài liệu hiện có, đ xây dựng 32 mốc quan trắc lún tại Hà Nội và các điểm
điển hình, đồng thời tiến hành dự báo lún mặt đất. Đến năm 1996, số mốc
quan trắc lún là 45 điểm và cho đến nay lên đến gần 80 mốc trong phạm vi và
lân cận thành phố Hà nội. Trong số đó, có khoảng 20 - 30 mốc chỉ quan trắc
độ lún bề mặt thông thờng, số còn lại kết hợp với các trạm đo nớc. Ngoài ra,
UBNDTP Hà Nội đ giao cho Viện kỹ thuật xây dựng Hà Nội - Sở xây dựng
Hà Nội triển khai đề tài cấp Thành Phố " Điều tra đánh giá, dự báo biến dạng
lún bề mặt đất khu vực Hà Nội do thay đổi mực nớc ngầm. Xác lập cơ sở
hoàn thiện hệ thống các trạm quan trắc biến dạng lún của Hà Nội ". Đây là
một đề tài nghiên cứu rất phức tạp vì liên quan đến nhiều lĩnh vực chuyên
ngành, đợc tiến hành thận trọng, công phu và lần đầu tiên tiến hành tại Việt
Nam, UBNDTP đ chỉ đạo thực hiện từng bớc và theo nhiều giai đoạn.


10
Theo kết quả nghiên cứu của đề tài đ xác định đợc các vùng có độ lún

khác nhau, theo thứ tù sau ( tÝnh tõ 1988 - 1995 ) :
- Vùng lún mạnh nhất ở Nam thành phố từ Ng T Vọng đến Văn Điển
và khu vực Thành Công, với tốc độ lún trên 20 mm/ năm.
- Vùng có tốc độ lún 10 - 20 mm/ năm bao gồm : khu vực Hà Đông - Hạ
Đình, Văn Điển, Cầu Bơu, Cầu mới, Ng T Vọng, Pháp Vân và trung tâm
thành phố từ Thành Công đến Ngô Sỹ Liên.
- Vùng có tốc độ lún 0 - 10 mm/ năm bao gồm các vùng còn lại. Riêng
vùng ven sông Hồng không bị lún. Khu vực Ngọc Hà đợc theo dõi từ ngày
20/ 7/ 1993 cho đến cuối tháng 12/ 1998 cho thấy, tổng độ lún chỉ đạt 6.71
mm.
Hiện tợng sụt lún mặt đất liên quan trực tiếp đến sự có mặt của tầng đất
lấp, đặc biệt là những vùng có mặt tầng yếu ( bùn, than bùn, đất hữu cơ, sét sét pha dẻo chảy, chảy ), bề dày và diện phân bố của chúng.
1. 2. 3. Hiện tợng lún nứt các công trình ở Hà Nội
Để phục vụ nhu cầu ở của ngời dân Thành phố, vào những năm cuối 70
đến những năm đầu 80, hàng loạt các nhà tập thể cao 5 tầng đợc xây dựng
khắp Hà Nội nh khu Giảng Võ, Thái Thịnh, Ba Đình, Tân Mai, Trơng Định,
Trung Tự, Kim Liên, Nghĩa Đô, ... Nhiều khu nhà xây dựng trên nền đất yếu,
nhng không có biện pháp gia cố nền móng triệt để, hoặc gia cố sơ sài. Vào
những năm đầu sử dụng, hầu hết các công trình đều có độ lún lớn, nhng tốc
độ lún giảm dần theo thời gian.
Tuy nhiên, vào cuối những năm 80, tức là khi chơng trình nớc Phần
Lan đi vào hoạt động, hàng loạt các công trình tiếp tục lún, lún lệch và lún rất
mạnh, gây nứt nẻ, không đáp ứng điều kiện sử dụng bình thờng, thậm chí gây
h hỏng công trình. Tới 90% của tổng số 200 ngôi nhà lắp ghép tại các chung
c với quy mô 4 - 5 tầng có tổng độ lún từ 10 đến 40 cm. Trong đó có khoảng


11
50 nhà bị lún nứt ở mức độ đ và đang cần đầu t, sửa chữa. Các ngôi nhà bị
lún mạnh thờng là móng nông trên nền nhiên nhiên, một số có gia cố nền

nh đệm cát, cọc cát, cọc tháp,...
Có hai hiện tợng lún biểu hiện nh sau: Hiện tợng tốc độ lún không
giảm hoặc giảm ít theo thời gian và tốc độ lún đột nhiên tăng trở lại sau một
thời gian dài lún ít hoặc ngừng lún.
- Hiện tợng tốc độ lún không giảm hoặc giảm ít theo thời gian : chủ yếu
xảy ra ở các công trình xây dựng trên nền đất yếu của Hà Nội nh Gi¶ng Vâ (
A2, A3, A6, C6, C7, E6, ... ), Ngọc Khánh ( A2, B1, B2, B8, ... ), Tân Mai (
C5, C6, C7, ... ), Thành Công ( B7, E3, E4, E6, E7, K7, ... ). VÝ dô cô thể nh
sau :
Hiện tại còn rất nhiều nhà khác đang bị lún xấp xỉ 1 - 2 mm/ tháng.
Ngoài ra, những nhà có độ lún lệch từ 0.5 - 1 mm/ tháng cũng còn nhiều. Ví
dụ nh C7, C8, B6 Giảng Võ, E4, E6, E7, D2, D6 Thành Công. Đặc biệt nhà
I4 Thành Công, A2 Ngọc Khánh lún lệch tới trị số 2 - 3 mm/ tháng.
- Hiện tợng tốc độ lún đột nhiên tăng trở lại sau một thời gian dài lún ít
hoặc ngừng lún : Hiện tợng này biĨu hiƯn th«ng qua sù xt hiƯn nhanh
chãng víi c−êng độ cao các h hỏng trên công trình lâu nay vẫn sử dụng bình
thờng và an toàn. Tuy nhiên, các h hỏng nói trên dờng nh ít phát triển
thêm sau một thời gian phát triển mạnh mẽ. Hiện tợng này xẩy ra tại các
công trình Trụ sở công an TP Hà Nội-Trần Hng Đạo, Trụ sở Ban chấp hành
TW Đảng CSVN, E4 Thành Công, Nhà A, B Ngọc Khánh,vv
Những ví dụ trên cho thấy, có xuất hiện một lực tác dụng phụ vào cuối
những năm 80 đầu 90 gây ra tăng tốc độ lún. Lực tác dụng phụ này làm tăng
ứng suất của đất, vợt qua độ bền các kết cấu công trình ở những nơi yếu,
nhạy cảm với lún và lún không đều. Thời điểm trên trùng hợp với thời điểm
tăng công suất khai thác nớc đột ngột do chơng trình nớc Phần Lan.


12
Sau khi các công trình đ đợc sửa chữa, cải tạo, hầu hết đ giảm thiểu
đợc tốc độ lún tuy còn ở các mức độ khác nhau. Hầu hết các công trình trớc

khi đợc sửa chữa đều có tốc độ lún trung bình từ 2.5 - 3 mm / tháng, sau khi
đợc sửa chữa đều giảm tốc độ lún xuống thấp hơn 1.5 - 2 mm/ tháng.
Trong nhiều năm, một số chuyên gia ngành ĐCCT đ công bố nhiều kết
quả nghiên cứu xung quanh cấu trúc nền đất yếu, nguyên nhân lún nứt công
trình xây dựng liên quan đến cấu trúc nền và nền đất yếu. Ngoài ra, ảnh hởng
của quá trình biến đổi môi trờng địa chất cũng đợc nhiều nhà khoa học
nghiên cứu, đánh giá là một trong những nguyên nhân quan trọng gây lún nứt
công trình. Điển hình là các nhà khoa học GS. TSKH Phạm Văn Tỵ, PGS. TS.
Nguyễn Huy Phơng, TS. Lê Trọng Thắng, GS. TSKH. Phạm Xuân, TS. Đoàn
Thế Tờng, TS. Nguyễn Viết Tình, GS. TS. Vũ Công Ngữ, ...vv


13
Chơng 2
Cơ sở lý thuyết các phơng pháp mô hình tơng
quan hàm nhiều biến và phơng pháp giải tích
2.1. Nguyên lý chuyển hóa áp lực trung tính thành áp lực hữu hiệu
Lún là quá trình chuyển dịch thẳng đứng của nền đất dới tác dụng của
sự tăng lên của áp lực nén. áp lực nén này có thể đợc phát sinh do tải trọng
công trình, do đất san lấp, do khai thác nớc dới đất. Ngoài ra, lún cũng có
thể do sự hòa tan một số khoáng chất trong đất, hoặc sự phân hủy thành phần
hữu cơ chứa trong chúng. ở chơng này chủ yếu đề cập đến các vấn đề lún
mặt đất liên quan với khai thác nớc dới đất và san lấp tôn cao nền.
Các lớp đất nằm dới mực nớc ngầm, đợc b o hòa nên thuộc mô hình
hai pha: pha rắn và pha lỏng. Pha rắn gồm các hạt hay tập hợp nhóm hạt đất,
thờng gọi là cốt đất, còn pha lỏng là nớc. Cơ sở lý thuyết các phơng pháp
dự báo lún mặt đất do khai thác nớc dới đất là nguyên lý ứng suất hữu hiệu,
một trong những nguyên lý quan trọng nhất do Terzaghi tìm ra từ năm 1925.
ứng suất nền của đất b o hòa tại một phân tố nào đó, gọi là ứng suất tổng
bao gồm hai thành phần: ứng suất trung tính (u) và ứng suất hữu hiệu '

= σ' + u = const

(2.1)

- øng suÊt trung tÝnh u (hay còn gọi áp lực nớc lỗ rỗng), là áp suất do
chất lỏng trong lỗ hổng tiếp thu, nó không tạo ra sự nén lún và tăng sức kháng
cắt nào trong đất.
- ứng suất hữu hiệu ' là ứng suất do cốt đất tiếp thu, nó có tác dụng nén
chặt đất, hoặc tăng cờng độ kháng cắt của đất. ứng suất hữu hiệu có thể xác
định đợc thông qua phơng trình sau:
' = - u

(2.2)


14
ở một điều kiện tự nhiên nhất định, tại một độ sâu bất kỳ giá trị ứng suất
tổng là không đổi, và ứng suất hữu hiệu ' và ứng suất trung tính luôn luôn
thỏa m n phơng trình (2.1) và (2.2).
Khi tăng tải trọng ngoài nh xây dựng nhà, hoặc công trình, hay san lấp
tôn cao bề mặt đất dẫn đến ứng suất tổng tăng lên một lợng , ứng suất
trung tính u và ứng suất hữu hiệu σ' sÏ thay ®ỉi theo thêi gian, nh−ng ci
cïng sÏ đạt đến ' = .
Còn khi khai thác nớc dới đất, ứng suất tổng không thay đổi, áp lực
lỗ rỗng u bị tiêu tán do giảm mực áp lực của tầng chứa nớc, và nó chuyển
hóa cho cốt đất chịu, nghĩa là áp lực hữu hiệu tăng lên.
' = - u

(2.3)

Sự tăng lên của ứng suất hữu hiệu ' không đạt đến giá trị cực đại ngay
ở thời điểm hút nớc, mà nó diễn biến phức tạp theo thời gian. Chính vì vậy,
quá trình lún mặt đất do khai thác nớc cũng diễn ra theo thời gian. Sự giảm đi
của áp lực nớc lỗ rỗng, đó là quá trình liên quan chặt chẽ với sự thấm thoát
nớc từ trong lớp đất loại sét b o hòa vào các lớp đất có áp lực thấp hơn. Nó
phụ thuộc vào tính chất thấm của đất, bề dày lớp đất nén lún, điều kiện thoát
nớc. Sự nén lún ở đây chủ yếu là quá trình nén chặt đợc gây ra do sự tăng
lên của áp lực hữu hiệu, nó phụ thuộc vào đặc tính nén lún của lớp đất nghiên
cứu và bề dày của lớp đất chịu nén. Nh vậy, quá trình khai thác nớc làm cho
mực áp lực tầng chứa nớc giảm, dẫn tới quá trình tiêu tán áp lực của các lớp
đất loại sét b o hòa xảy ra đồng thời với quá trình thấm và quá trình nén lún
của ®Êt. Do c¸c líp ®Êt sÐt cã tÝnh thÊp kÐm, quá trình thấm diễn ra chậm theo
thời gian, nên các quá trình tiêu tán áp lực nớc lỗ rỗng và quá trình lún của
chúng diễn ra theo thời gian, đó là quá trình cố kết thấm, hay còn gọi là cè kÕt
nguyªn sinh.


15

MAL(to)

MNN(to)

MNN(t)

MNN(t)

MAL

U

MAL(t)

'

MAL(t)

U

'

U

'

Hình 2.1: Sơ đồ chuyển hoá áp lực nớc lỗ rỗng thành áp lực
hữu hiệu trong quá trình hút nớc ở tầng áp lực
Ngoài ra, do hạt sét có cấu trúc hạt keo, nên xảy ra quá trình biến dạng
và dịch chuyển các màng nớc liên kết, các màng keo quanh chúng, gây ra
hiện tợng từ biến. Hiện nay, vẫn tồn tại hai quan điểm khác nhau. Một số nhà
nghiên cứu cho rằng, kết thúc quá trình cố kết thấm mới chuyển sang cố kết từ
biến. Một số tác giả khác lại cho rằng hai quá trình cố kết thấm và cố kết từ
biến xảy ra đồng thời. Đây là vấn đề hết sức phức tạp, có lẽ nó phù hỵp cho