Nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp phân tích ngƣợc để nâng cao độ chính xác dự báo sụt lún mặt đất do khai thác nƣớc ngầm ở hà nội

Địa kỹ thuật số 3-2005 6 Nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp phân tích ngƣợc để nâng cao độ chính xác dự báo sụt lún mặt đất do khai thác nƣớc ngầm ở Hà Nội Nguyễn Huy Phƣơng1, Tạ Đức Thịnh1 Nguyễn Huy Quang2, Nguyễn Sinh Minh3 Nguyễn Văn Hƣng3 Application the back analysis method for prediction of land subsidence caused by ground water withdrawal in Hanoi Abstract: Prediction of land subsidence caused by ground is difficult and complicated because it has been affected by many factors and they are always changed by time so we are not able to control them. This method of land subsidence prediction are used in practice now, by application the given value Cv, we obtain the results different with the dates given by observation stations. By back analysis method, we found the changing rule of Cv by time and it has been used in predict land subsidence to give more accurate results. 1. Đặt vấn đề Sụt lún mặt đất do khai thác nước ngầm xảy ra mạnh mẽ ở nhiều thành phố lớn của các nước trên thế giới như ở Mexicô, Italia, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan,... ở Hà Nội sự sụt lún mặt đất do khai thác nước ngầm cũng đã xẩy ra và được khẳng định qua tài liệu nhận được ở các trạm đo lún. Sự sụt lún mặt đất gây ra hiện tượng úng ngập, gây biến dạng công trình, làm ô nhiễm nguồn nước ngầm,... Công tác dự báo sụt lún hiện nay còn cho kết quả chưa có độ chính xác, độ tin cậy cao. Vì vậy cần phải nghiên cứu để nâng cao độ chính xác của phương pháp dự báo. 2.Nội dung của phƣơng pháp Dự báo lún mặt đất hiện nay thường áp dụng các phương pháp khác nhau như phương pháp giải phương trình vi phân áp lực thuỷ động bằng cách phân tích thành chuỗi số Furie, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn. Điều kiện áp dụng thường xem các thông số a, k, Cv là không đổi. Chính vì vậy kết quả dự báo nhận được thường sai lệch với thực tế và sự sai lệch đó càng tăng lên theo thời gian. Qua nghiên cứu tài liệu thí nghiệm nén cố kết trong phòng cho thấy các thông số quan trọng tham gia vào quá trình tính lún như hệ số nén lún a, hệ số thấm k, và hệ số cố kết Cv đều biến đổi theo thời gian. Đó chính là nguyên nhân cần được xem xét đến khi dự báo lún mặt đất. Chúng tôi tiến hành dự báo sự sụt lún mặt đất theo phương pháp sử dụng lời giải bằng thuật toán phân tích thành chuỗi số Furie với điều kiện thường dùng là các hệ số a, k và Cv không đổi theo thời gian. Sau đó kết hợp với các tài liệu quan trắc lún trên các trạm đo lún được xử lý bằng mô hình toán thông kê tìm ra hàm số Cv biến đổi theo thời gian t. Hàm số nhận được lại được đưa vào để dự báo lún theo thuật toán trên. Công tác dự báo lún được tiến hành theo trình tự sau: Địa kỹ thuật số 3-2005 6 Trong quá trình tính toán chúng tôi đã tính theo biểu đồ tổng ứng suất và biểu đồ phân cấp tải trọng ứng với các mức của sự hạ thấp mực nước với các điều kiện Cv không đổi và Cv biến đổi theo thời gian. Qua tính toán có thể kết luận rằng, kết quả dự báo theo hai sơ đồ trên với điều kiện Cv không đổi đều sai lệch nhiều so với thực tế và sự sai lệch đó càng tăng lên theo thời gian, còn với điều kiện Cv = a x t +b gần với số liệu lún quan trắc được. 3.Kết quả tính toán dự báo. Dưới đây chúng tôi đưa ra kết quả tính toán của trạm Pháp Vân làm ví dụ. a. Dự báo theo phương pháp theo biểu đồ tổng ứng suất Nhà máy nước Pháp Vân xây dựng năm 1988, qua tham khảo tài liệu ĐCTV khu vực Hà Nội trước đây, mực nước ở đây có độ sâu 5 m cách mặt đất. Nhà máy nước bắt đầu khai thác năm 1989. Theo tài liệu quan trắc năm 1996 mực nước ngầm ở đây có độ sâu 20 m cách mặt đất. Tức là khoảng hạ thấp mực nước ngầm từ năm 1988 đến năm 1996 (H = 15 m. Trạm đolún được xây dựng từ năm 1996 và bắt đầu quan trắc từ năm 1997. Kết quả quan trắc được thể hiện trong hình 1. Hình 1: Biều đồ lún bề mặt và mực nước đo được theo thời gian trạm Pháp Vân Địa kỹ thuật số 3-2005 6 Bảng 1. Tính chất cơ lý của các lớp đất được trình bày trong bảng 1 Tên lớp Lớp 2a Lớp 2b Lớp 3a Lớp 3b Lớp 4a Lớp 4b Hệ số rỗng e0.5-2.0 1.556 1.507 1.731 1.292 1.265 1.141 Hệ số nén lún a0.5-2.0 (cm2/kG) 0.092 0.127 0.166 0.114 0.106 0.097 Hệ số nén lún tương đối ao (cm2/kG) 0.036 0.051 0.061 0.049 0.047 0.045 Hệ số thấm K0.5-2.0 x10-7(cm/s) 0.178 0.635 0.658 0.530 0.494 0.365 * Địa tầng và sơ đồ ứng suất. 3.30 §Êt lÊp thµnh phÇn hçn t¹p. 3.301 6.3 SÐt mµu n©u vµng, tr¹ng th¸i dÎo mÒm - dÎo cøng 3.05 7SÐt mµu x¸m xanh, tr¹ng th¸i ch¶y 0.7 13 14 Bïn sÐt mµu x¸m ®en lÉn h÷u c¬ 3.0 20.0 SÐt pha mµu x¸m n©u, tr¹ng th¸i ch¶y. 6.0 40 SÐt pha mµu n©u, vµng, ®á loang læ, tr¹ng th¸i dÎo cøng - nöa cøng. 7.0015 10.0 4.0 33.0 13.0 M« t¶ Sè líp ®Êt ChiÒu s©u ®¸y líp (m) BÒ dµy líp ®Êt (m) §Þa tÇng S¬ ®å tÝnh lón p1=0.56 (kG/cm) 2 p1=2.06 (kG/cm) 2 SÐt pha mµu x¸m ®en, tr¹ng th¸i ch¶y SÐt pha mµu x¸m n©u, tr¹ng th¸i ch¶y, xen kÑp c¸c líp máng c¸t h¹t nhá ChiÒu dµy hi m T¶i träng pi kG/cm 2 20.0 m 5.0 m1.7 1.3 0.7 3.0 4.0 6.0 13.0 0.56 0.69 0.76 1.06 1.46 2.06 2.06 STT líp ®Êt 3a 4a 3b 2b 2a 1 4b 5 Địa kỹ thuật số 3-2005 6 Hình 2: Sơ đồ tính lún trạm Pháp Vân Chúng tôi đã thay mô hình nền nhiều lớp thành nền đồng nhất giả định với hệ số Km = 0.41 10-7 cm/s, Cvm = 26215 cm2/năm. Nhà máy nước Pháp Vân bắt đầu khai thác năm 1989, và chúng tôi chọn mốc t0 là năm 1988, sử dụng các số liệu quan trắc từ năm 1997 đến năm 2003 tìm được hàm Cv biến đổi theo thời gian có dạng Cv = -300,47 t + 29088, với R = 0.95. Hình 3: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số cố kết Cv và thời gian t trạm Pháp Vân Kết quả dự báo độ lún khi sử dụng hàm Cv nhận được ở trên cho kết quả như sau: Hình 4 : Biểu đồ tính lún theo thời gian tại trạm Pháp Vân Bảng 2 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo kết quả tính toán (dự báo) và độ lún mặt đất theo kết quả quan trắc Còn khi coi Cv là hằng số nhận được kết quả dưới đây: Hình 5 : Biểu đồ tính lún theo thời gian tại trạm Pháp Vân Bảng 2 Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Độ lún dự báo (Sdb,cm) 2.94 5.00 6.92 8.71 10.40 11.98 13.48 Độ lún quan, trắc (Sqt,cm) 2.2 4.6 6.6 8.5 10.0 11.8 13.6 | Sqt -Sdb | 0.74 0.40 0.32 0.21 0.40 0.18 0.12 Bảng 3 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo kết quả tính toán(dự báo ) và độ lún mặt đất theo kết quả quan trắc Bảng 3 Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Độ lún dự báo (Sdb,cm) 2.80 5.10 7.30 9.40 11.41 13.35 15.21 Độ lún quan,trắc(Sqt,cm) 2.2 4.622 6.613 8.537 10.04 11.87 13.63 SdbSqt  0.60 0.48 0.69 0.86 1.37 1.48 1.58 b. Dự báo lún theo phương pháp phân cấp tải trọng tương ứng với sự hạ thấp mực Cv= -300.47 t + 29088 R = 0.95 24000 24500 25000 25500 26000 26500 0 5 10 15 20 thêi gian t(n¨m) H Ö s è c è k Õ t C v 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Thêi gian t(n¨m) § é l ó n S t( cm ) §é lón dù b¸o §é lón quan tr¾c 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Thêi gian t(n¨m) § é l ó n S t( c m ) §é lón dù b¸o §é lón quan tr¾c Địa kỹ thuật số 3-2005 6 nước. Như đã nêu ra ở trên khoảng hạ thấp mực nước (H = 15 m. Để tính toán và dự báo lún do hạ thấp mực nước và san lấp, căn cứ vào các tài liệu quan trắc địa chất thuỷ văn cho thấy mực nước được hạ thấp dần và ở đây chúng được chia thành các khoảng hạ thấp mực nước (H1, (H2,... Bảng 4 Năm 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 H(m) 5 10 12 14 16 18 20 (H(m) 5 2 2 2 2 2 Trong bảng 6: Hi là độ sâu mực nước ngầm (H khoảng hạ thấp mực nước ngầm Hình 6: Sơ đồ tính lún trạm Pháp Vân chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền được trình bày trong bảng 5 Bảng 5 Chỉ tiêu cơ lý Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Lớp 6 Lớp 7 Bề dầy 5 2 2 2 2 2 13 Hệ số nén lún tương đối(cm2/kG) 0.053 0.049 0.049 0.047 0.047 0.047 0.045 Hế số thấm K (cm/s) 0.529 0.530 0.53 0.494 0.494 0.494 0.365 Líp ®Êt BÒ dÇy m ChiÒu s©u mùc nø¬c ngÇm H(m) 2a 2b 3a 3b 4a 4b Ký hiÖu líp §Êt lÊp thµnh phÇn hçn t¹p SÐt mÇu n©u vµng, tr¹ng th¸i dÎo mÒm - dÎo cøng SÐt mµu x¸m xanh, tr¹ng th¸i ch¶y Bïn sÐt mµu x¸m ®en, lÉn h÷u c¬ SÐt pha mµu x¸m ®en, tr¹ng th¸i ch¶y SÐt pha mµu x¸m n©u, tr¹ng th¸i ch¶y SÐt pha mµu x¸m n©u, tr¹ng th¸i ch¶y, xen kÑp c¸c líp máng c¸t h¹t nhá 1 Mæ t¶ BÒ dÇy m 3.3 3 0.7 3 4 6 13 1 2 5 7 2 2 13 Thêi gian t n¨m 0 Kho¶ng h¹ thÊp mùc nø¬ch(m) Gia t¨ng ¸p lùc P®l (do ®Êt lÊp) Gia t¨ng ¸p lùc pi (kG/cm) (do kh¶i th¸c nø¬c) 3 4 5 2 2 6 2 3 4 5 6 7 8 N¨m 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 5 10 12 14 16 18 20 5 2 2 2 2 2 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.5 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 ¸p lùc g©y lón Pi (kG/cm) 1.06 1.26 1.46 1.66 1.86 2.06 BiÓu ®å øng Su©t 0.56 I IIa IIb IIIa IVa Va VIa VIIa IIIb IVb Vb VIa VIIa Địa kỹ thuật số 3-2005 6 Qua các tài liệu quan trắc tìm được hàm Cv = -244.75 t + 27969 với R = 0.92. Sử dụng hàm Cv trên để tính toán dự báo độ lún cho kết quả dưới đây. Hình 7: Biểu đồ tính lún theo thời gian tại trạm Pháp Vân Hình 8: Biểu đồ tính lún theo thời gian tại trạm Pháp Vân Bảng 6 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo kết quả tính toán (dự báo) và độ lún mặt đất theo kết quả quan trắc Bảng 6 Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Độ lún dự báo (Sdb,cm) 2.92 4.98 6.90 8.71 10.42 12.03 13.56 Độ lún quan, trắc (Sqt,cm) 2.20 4.62 6.61 8.54 10.04 11.87 13.63 | Sqt -Sdb | 0,72 0,36 0,29 0,17 0,38 0,16 0,07 Tiếp theo là kết quả dự báo khi coi Cv không đổi theo thời gian ta được kết quả Bảng 7 trình bày kết quả so sánh độ lún mặt đất tại trạm Pháp Vân giữa độ lún mặt đất theo kết quả tính toán(dự báo ) và độ lún mặt đất theo kết quả quan trắc Bảng 7 Năm 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Độ lún dự báo (Sdb,cm) 3.8 7.1 10.2 13.1 15.8 18.4 20.8 Độ lún quan,trắc(Sqt,cm) 2.20 4.62 6.61 8.54 10.04 11.87 13.63 | Sqt -Sdb | 1.55 2.49 3.59 4.53 5.75 6.49 7.18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Thêi gian t(n¨m) § é l ó n S t( c m ) §é lón dù b¸o §é lón quan tr¾c 0 5 10 15 20 25 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 N¨m § é l ó n S t( cm ) §é lón dù b¸o §é lón quan tr¾c Địa kỹ thuật số 3-2005 6 Tính toán dự báo các trạm còn lại như Hạ Đình, Lương Yên, Thành Công, Mai Dịch cũng cho kết quả tương tự. 4.Kết luận - Phương pháp dự báo độ lún theo điều kiện a, k, Cv không đổi cho kết quả lớn hơn thực tế và độ sai lệch càng lớn theo thời gian. - Tài liệu quan trắc cho phép tìm được hàm Cv phụ thuộc tuyến tính và giảm dần theo thời gian - Sử dụng hàm Cv hợp lý nhất để đưa vào công thức tính toán dự báo độ lún cho kết quả chính xác hơn, khá gần với số liệu quan trắc. Tuy nhiên, trong tính toán dự báo đã bỏ qua một số lớp đất như : Cát, sét, sét pha quá cố kết. - Có thể hàm Cv biến đổi theo quy luật nhận được chỉ trong khoảng thời gian nào đó, cho nên công tác 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 cho phù hợp với thực tế. Tài liệu tham khảo 1.Shen Xiao Yu, Sun Su Wen, Zhon Guo Yun, Lin Dan and Zhang Rong Tang. Wuhan College of Geology. “Mathematical Model and Prediction of Subsidence in Ningbo City.” 2.hozer, thomas L, Dr, Johnso, A.Ivan “Land Subsidence Caused by Ground Water Withdrawal in Urban Areas“. jeojournal 11.3245-255.1985. 3.Chiang-Huai chen, Richasd Hwang, Mon & Associates. Inc Taipei. Taiwan. Roc. “Badc analysis of Subsidence due to filling and ground water loverring.” Một phƣơng pháp mới xác định hệ số độ cứng của cọc ở trạng thái làm việc Trần Hữu Hà* A new method to determine the stiffness coefficient of pile at service stage Abstract: Determination the stiffness coefficient of pile and pile groups subject to static or dynamic loads in complicated. It is usually solved by some different methods. Here, the author presents the new method to determine the stiffness coefficient of pile and pile group, subject to static loads at service stage based on the Gauss principle of extreme method, which was introduced by Prof.Dr. Ha Huy Cuong. This paper also introduces calculation results for static stiffness coefficient of single pile, and how it is affected by piles in the group. I - Đặt vấn đề Trong tính toán công trình hiện nay, đặc biệt trong trường hợp chịu tải trọng động đất, phương pháp hệ số độ cứng động được sử dụng khá nhiều [3]. Độ cứng động được hiểu như sau: P(() = S(() . U(() (1) trong đó: P(() - Tải trọng tác dụng ứng với tần số (. S(() - Độ cứng động của cọc. S(() là đại lượng phức, trong đó phần thực là độ cứng tĩnh và lực quán tính, còn phần ảo đặc trưng cho tính nhớt của môi trường, đặc biệt là xét được sự