Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------

NGUYỄN SỸ QUANG HOÀI

Đề tài :

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI MỰC

NƯỚC NGẦM LÊN HỐ ĐÀO THI CÔNG TẦNG HẦM NHÀ CAO TẦNG
Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 naêm 2007


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Châu Ngọc Ẩn
Cán bộ chấm nhận xét 1

: TS Võ Phán

Cán bộ chấm nhận xét 2

: TS Lê Bá Vinh

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày

tháng năm 2007


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN SỸ QUANG HOÀI
Phái : Nam
Ngày tháng năm sinh : 11-06-1979
Nơi sinh : Nghệ an
Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
MSHV : 00905232
I- TÊN ĐỀ TÀI : Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Việc Thay Đổi Mực Nước Ngầm
Lên Hố Đào Thi Công Tầng Hầm Nhà Cao Tầng .
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
A. NHIỆM VỤ : Nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay đổi mực nước ngầm lên
hố đào thi công tầng hầm nhà cao tầng.
B. NỘI DUNG :
Chương 1 : Mở đầu
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết tính toán các phương pháp hạ mực nước ngầàm trong
trong thi công hố đào.

Chương 3 : Cơ sở lý thuyết tính toán tường chắn khi có sự thay đổi mực nước
ngầm khi thi công hố đào.
Chương 4 : Nghiên cứu ảnh hưởng của hạ mực nước ngầm lên hố đào và kết
cấu chống đỡ
Chương 5 : Lập trình tính toán thay đổi mực nước ngầm lên hố đào
Chương 6: Tính toán thay đổi mực nước ngầm qua các giai đoạn thi công cho
công trình thưc tế
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 5/2/2007
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5/07/2007
V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS CHÂU NGỌC ẨN .
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

PGS TS CHÂU NGỌC ẨN
TS VÕ PHÁN
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua .
Ngày tháng năm 2007
TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn PGS TS Châu Ngọc Ẩn là
người đã nhiệt tình hướng dẫn gợi mở cho em tiếp cận nắm bắt những lý thuyết
về địa kỹ thuật và nền móng thông qua các bài giảng phong phú luôn được cập
nhật mà thầy đã truyền đạt trên giảng đường cũng như trong quá trình gặp gỡ
thảo luận bổ sung hoàn thiện luận án .

Ngoài ra em luôn ghi nhớ công lao của các thầy cô trong bộ môn Địa Cơ
Nền Móng đã giảng dạy thế hệ những học viên cao học chúng em những kiến
thức mới ở bậc sau đại học làm nền tảng cơ sở lý thuyết cho em có thể đánh giá
và hiểu rõ hơn các hiện tượng hay sự cố công trình đã và đang diễn ra trong thực
tế cũng như phát triển hướng tư duy nghiên cứu .
Lần cuối cùng, tôi tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã
tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Càng ngày kết cấu tầng hầm là một bộ phận không thể tách rời trong các
bản qui hoạch thiết kế nhà cao tầng và ngày càng được mọc lên nhiều hơn trong
các đô thị có mật độ dân cư đông đúc như Thành Phố Hồ Chí Minh của chúng
ta. Nó nhằm phát huy tối đa công năng sử dụng không gian dưới mặt đất như
siêu thị ngầm hay bãi để xe… mặt khác kết cấu thành tầng hầm hay tường liên
tục trong đất kết hợp với các bản sàn tầng hầm đã gợi mở tạo ra phương án thi
công hố đào thông qua các lỗ mở của bản sàn theo hướng từ trên xuống dưới
(TopDown) . Đâây là phương án ưu việt khi thi công hố đào tầng hầm trong
không gian chật hẹp liền kề với các công trình hiện hữu mà không thể tiến hành
đào mở được. Trong phương án thi công trên, mực nước ngầm luôn được khống
chế thấp hơn đáy hố đào thông qua hệ thống giếng bơm hút bố trí vòng theo chu
vi tường. Về mặt lý thuyết ta có thể tác động làm thay đổi mực nước ngầm bên
trong và bên ngoài hố đào và điều này ngoài ý nghóa đảm bảo không gian thi
công khô ráo tiện lợi đạt chất lượng và kỹ thuật đề ra mà còn làm làm thay đổi
nội lực và chuyển vị trong tường chắn, bản sàn và các kết cấu chống đỡ. Thông
qua việc mô phỏng bài toán bằng công cụ phần mềm, ta có thể thống kê lập ra
bảng biến thiên các đại lượng trên với những cao độ mực nước ngầm thay đổi
khác nhau bên trong và bên ngoài hố đào, nhằm tìm ra được vị trí mực nước cần
thay đổi thích hợp nhằm sinh ra nội lực và chuyển vị của kết cấu tương ứng nhỏ

hơn trạng thái trước khi thay đổi mực nước . Với kết quả trên đã giảm thiểu tiết
diện của kết cấu tương ứng, điều này có ý nghóa kinh tế trong việc thiết kế giải
pháp thi công hố đào tầng hầm nhà cao tầng.


MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU
1.1 Vấn đề thực tiễn .

1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu.

9

1.3 Phạm vi nghiên cứu và các vấn đề cần thực hiện .

10

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG
PHÁP HẠ MỰC NƯỚC NGẦÀM TRONG TRONG THI CÔNG HỐ ĐÀO.
2.1 Giới thiệu chung.

11

2.2 Các phương pháp hạ mực nước ngầm .


11

2.3 Thiết kế hệ thống giếng hạ mực nước ngầm cho hố đào sâu

17

tầng hầm .
2.4 nh hưởng của bơm hút nước hố móng đến ứng suất và biến

24

dạng
CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN KHI CÓ
SỰ THAY ĐỔI MỰC NƯỚC NGẦM KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO
3.1 Phân tích tác động dòng chảy mực nước ngầm .

28

3.2 Tính toán áp lực thấm lên tường chắn trong quá trình hạ

34

mực nước ngầm .
3.3 Lý thuyết tính toán tường trong đất .

47

3.4 p dụng tường cọc đất xi măng kết hợp tường trong đất .

68



CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HẠ MỰC
NƯỚC NGẦM LÊN HỐ ĐÀO VÀ KẾT CẤU CHỐNG ĐỢ
4.1 Hiện tượng phình trồi đáy hố móng do cốt liệu bị cuốn

72

trôi cũng như do thay đổi áp lực nước ngầm .
4.2 Biến dạng lún theo đường phễu của đất xung quanh hố

80

đào và sự dịch chuyển của cọc chống đỡ khi hạ mực nước nước ngầm
CHƯƠNG 5 : LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN THAY ĐỔI MỰC
NƯỚC NGẦM LÊN HỐ ĐÀO
5.1 Mô hình phân tích dòng chảy theo phương trình Laplace .

83

5.2 Lập trình tính toán đường thay đổi mực nước ngẩm chảy

85

vào hố đào bằng Mathlab .
5.3 Mô hình dòng chảy và dòng thấm trong phần mềm Plaxis.

95

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THAY ĐỔI MỰC NƯỚC NGẦM QUA

CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG CHO CÔNG TRÌNH THƯC TẾ .
6.1 Giới thiệu công trình

100

6.2 Giải pháp thi công.

103

6.3 Mô phỏng quá trình thi công và thay đổi mực nước

112

ngầm hố đào bằng phần mềm Plaxis .
6.4 Kết luận và mở rộng nghiên cứu.

133


-1-

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU
1.1 Vấn Đề Thực Tiễn .
1.1.1 Tài Nguyên Nước Ngầm Trên Thế Giới
Một số nước trên thế giới đã sử dụng công nghệ GIS để kiểm soát, tính
toán và lập ra các bản đồ phân bố mực nước ngầm cho các vùng khai thác và
điều tiết giúp việc thiết kế các biện pháp làm thay đổi mực nước ngầm trong thi
công các công trình thi công hố đào rất thuận lợi và hiệu quả.
GIS có thể hỗ trợ đánh giá mức nước ngầm, mô phỏng hệ thống sông hồ và
nhiều ứng dụng liên quan đến quản lý tài nguyên nước khác. Những ví dụ dưới

đây là một vài ứng dụng của GIS trong lónh vực này.
a) Kiểm soát mực nước ngầm
Duy trì mực nước ngầm thích hợp trong các vùng khai khoáng là một vấn
đề lớn. Trường đại học Kỹ thuật Aachen, Đức đã sử dụng GIS để kiểm soát mực
nước ngầm cho các vùng khai thác than, tạo các bản đồ mực nước ngầm, kết hợp
với các dữ liệu khác như thổ nhưỡng, địa hình, quy mô khai thác mỏ, công nghệ
kỹ thuật được sử dụng, cung cấp công cụ đắc lực cho các nhà phân tích.

Hình 1.1 : Bản đồ phân bố mực nước ngầm trong vùng khai khoáng


-2-

b) Kiểm soát sự phục hồi mực nước ngầm
Đánh giá sự phục hồi mực nước ngầm là rất khó khăn, nhưng với công
nghệ GIS công việc này trở nên dễ dàng hơn. Umlandverband Frankfurt, Đức,
đã dùng GIS để xây dựng các lớp bản đồ cho mỗi tính toán về sự phục hồi mực
nước ngầm. Những lớp này sau đó được kết hợp lại để tạo nên một bản đồ cuối
cùng biểu diễn sự phục hồi của mỗi vùng.
GIS giúp cho các nhà nghiên cứu dễ dàng tính toán và mô phỏng đồng thời tốc
độ phục hồi mực nước ngầm của các vùng khác nhau.

Hình 1.2 : Bản đồ đánh giá sự phục hồi mực nước ngầm
c) Phân tích hệ thống sông ngòi
Viện địa chất ở Zagreb, Croatia, đã sử dụng GIS để phân tích hệ thống
sông cũng như toàn bộ vùng lưu vực sông Drava. Với công nghệ GIS có thể xây
dựng mô phỏng mạng lưới sông ngòi của khu vực cùng các thông số đặc trưng
cho mỗi dòng chảy và phân tích những ảnh hưởng mà chúng có thể chịu tác
động.
d) Quản lý các lưu vực sông

Lưu vực sông là một hệ thống nhạy cảm và phức tạp. Quản lý lưu vực sông
đòi hỏi lưu lượng nước đầy đủ, duy trì sự ổn định của các hệ sinh thái, kiểm soát
lũ.


-3-

Công ty Quản lý Chất thải và Năng lượng Hạt nhân Thụy Điển và Nespak,
Pakistan phối hợp sử dụng GIS hỗ trợ quản lý vùng lưu vực sông Torrent ở
Pakistan. GIS được sử dụng để mô hình hoá sự cân bằng nước, quá trình xói
mòn, và kiểm soát lũ cho khu vực.
Hammon, Jensen, Wallen & Associates dùng GIS để kiểm soát vùng lưu vực
sông Santa Lucia Preserve. Mô hình không gian ba chiều được xây dựng nhờ
công nghệ GIS, đã giúp các nhà nghiên cứu tiếp cận chính xác về địa hình và
thổ nhưỡng của khu vực, từ đó xây dựng những quy luật diễn biến quan trọng
cho toàn bộ vùng lưu vực sông.

Hình 1.3 : Bản đồ phân tích nguồn nước ở lưu vực sông
e) Kiểm soát các nguồn nước
Tại Mỹ, GIS được dùng để quản lý sự phân bố của các nguồn nước, nhờ đó các
nhà khoa học có thể dễ xác định vị trí các nguồn nước này trong toàn bộ hệ
thống.
1.1.2 Tài Nguyên Nước Ngầm các đô thị lớn của Việt Nam .
a) Tại Thành phố Hà Nội :
Từ năm 1985, một số nhà khoa học đã cảnh báo về khả năng sụt lún mặt đất Hà
Nội do khai thác nước ngầm. Vấn đề này sau đó đã được nhiều nhà khoa học
quan tâm, nhiều công trình, dự án nghiên cứu liên quan đã được triển khai. Keát


-4-


quả nghiên cứu đã xác nhận rằng: Đã có các biểu hiện sụt lún mặt đất do khai
thác nứơc ngầm ở phần Nam bờ phải sông Hồng.
Sự sụt lún mặt đất xảy ra chủ yếu ở các vùng phân bố các tầng đất yếu và có
liên quan đến sự giảm áp trong tầng chứa nước ngầm sâu, sự sắp xếp lại hạt
trong các tầng trên và do sự ôxy hoá vật chất hữu cơ trong các tập bùn sét khi
mực nước ngầm hạ thấp, dẫn đến giảm cường độ chịu tải của đất ở đó.
Sự sụt lún mặt đất không chỉ gây tổn thất cho các công trình xây dựng như: nhà
cửa, đường sá, cầu cống, kênh mương, mà còn góp phần gây ô nhiễm các nguồn
nước ngầm do các vết nứt tạo thành những đường lưu thông nước trên mặt và
các tầng chứa nước.
Theo tính toán của các nhà khoa học, khi mực nước động của tầng chứa nước
ngầm tầng sâu đạt 20 m và tầng trên đạt 7 m, thì mặt đất ở khu vực phần Nam
bờ phải sông Hồng có thể lún đến trên 1m.
Các kết quả quan trắc mực nước của tầng nước ngầm sâu trong 10 năm trở lại
đây do Liên đoàn Địa chấu thuỷ văn - Địa chất công trình miền Bắc thực hiện
cho thấy quá trình khai thác nước ở phần bờ phải sông Hồng đã tạo ra một phễu
hạ thấp mực nước trong tầng chứa nước Pleitocen (tầng nước ngầm sâu, tầng
nước công nghiệp hiện đang cấp nước cho tất cả các bãi giếng của các nhà máy
nước Hà Nội) có diện tích khá lớn và đang ngày càng lan rộng và xuống sâu,
đặc biệt phần phễu có trị số (-8m) và (-14m) liên tục tăng lên. Diện tích phễu có
cốt cao (-14m) tăng từ 4,07 km2 năm 1992 lên 33,83km2 vào năm 2002. Trong
đó khu vực Pháp Vân, Hạ Đình là hai trung tâm có mực nước sâu nhất.
Các kết quả nghiên cứu cũng khẳng định rằng, các tầng chứa nước, cả tầng nước
ngầm nông và sâu, đều có quan hệ thuỷ lực chặt chẽ với nước sông Hồng tham
gia tới 70 – 80% vào tổng lượng nước khai thác từ các bãi giếng Yên Phụ,
Lương Yên, và sông Hồng chính là nguồn cấp nước ngầm cho Hà Nội. Như vậy,


-5-


nếu các bãi giếng được đưa ra sát sông Hồng thì lượng nước khai thác sẽ tăng
lên. Một số chuyên gia đã đề nghị: ngoài các bãi giếng đã có, nên bố trí thêm
các giếng khoan khai thác thành tuyến sông song song với sông Hồng, càng gần
sông càng tốt (bố trí ngoài đê còn giúp cho bảo vệ đê tốt hơn), mỗi giếng cách
nhau từ 150–250 m. Như vậy dọc theo sông Hồng từ cầu Long Biên đến khu vực
đền Lộ có thể bố trí khoảng 50–60 giếng khai thác; dọc theo sông từ cầu Thăng
Long lên thượng lưu có thể bố trí 15–20 giếng; công suất mỗi giếng có thể khai
thác từ 5000–8000 m3 mỗi ngày. Tổng công suất tuyến giếng này có thể đạt từ
400.000–500.000 m3 mỗi ngày. Đồng thời có thể bố trí một vài bãi giếng ở khu
vực Tứ Liên (2 bãi), khu Phúc Xá (1 bãi) và xây dựng các hành lang thu nước ở
các bãi giữa sẽ có thể khai thác khoảng 100.000 m3 nước mỗi ngày cho mỗi
cụm công trình này. Đối với các bãi giếng cũ thì các bãi giếng Pháp Vân, Tương
Mai và Hạ Đình sẽ giảm công suất xuống chỉ còn 20–30% hoặc ngừng khai thác
hoàn toàn, các bãi giếng khác duy trì khai thác bình thường; xoá bỏ toàn bộ các
lỗ khoan đường kính nhỏ và thay vào đó cấp nước theo đường ống. Như vậy,
riêng phần phía phải sông Hồng chúng ta có thể khai thác được từ 1.200.000 –
1.400.000 m3 mỗi ngày mà mực nước không những không tăng so với công trình
bố trí sát biên cấp mà còn có thể phục hồi mực nước lên do ngừng khai thác ở
các trung tâm hạ thấp (Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai). Thêm vào đó có khả
năng giảm nồng độ của một số thành phần như sắt và amôn.
Kết quả đo lún từ năm 1994-2001 tại 6 trạm quan trắc: Ngọc Hà, Pháp Vân,
Thành Công, Lương Yên, Hạ Đình, Mai Dịch của TP Hà Nội cho thấy việc khai
thác nước dưới đất cũng làm cho các khu vực trên lún từ 0,010m đến 0,534m.
Theo các ý kiến nêu trên thì có thể khắc phục tình trạng sụt lún mặt đất do khai
thác nước ngầm ở Hà Nội mà vẫn có thể đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước của
thành phố, nếu chúng ta mạnh dạn đầu tư và quy hoạch lại hệ thống các bãi


-6-


giếng khai thác, áp dụng các công nghệ khai thác bằng các hành lang thu nước
bố trí ở bãi cát giữa sông Hồng.
b) Tại Thành phố Hồ Chí Minh :
- Tổng quan thực trạng phân bố nước ngầm thành phố .
Theo kết quả quan trắc ở tầng chứa nước Pleistocen - nguồn cung cấp nước
sinh hoạt chính của thành phố - mực nước ngầm trên địa bàn đang sụt giảm từ
0,25 đến 0,94 m/năm. Khai thác nước dưới đất để đáp ứng cho sinh hoạt, sản
xuất là nhu cầu cần thiết. Nhưng việc khai thác nước tràn lan không kiểm soát
được như hiện nay đang gây ra những hậu quả rất nghiêm trọng: chất lượng
nước suy giảm; nước mặn xâm nhập… Đáng lo ngại hơn cả là tình trạng sụt lún
đất. Tại hội thảo mới đây về vấn đề lún mặt đất có phải là do khai thác nước
ngầm hay không do Sở Tài nguyên-Môi trường TP.HCM tổ chức, ông Nguyễn
Văn Ngà, Trưởng phòng Tài nguyên khoáng sản và khí tượng thủy văn thuộc Sở
TN-MT cho biết đã phát hiện tình trạng sụt lún đất cục bộ xung quanh các giếng
khoan tại một số khu vực thuộc các quận 6, 11, 12, Bình Tân và huyện Bình
Chánh.
Biểu hiện cụ thể là các ống giếng khoan chồi cao, tại quận Bình Tân là 14cm,
thị trấn An Lạc (Bình Chánh) 12cm... Nặng nhất là khu vực phường 11 quận 6 từ
5cm đến 20cm. Ông Trần Văn Lã, Tổng Giám đốc Liên hiệp Khoa học sản xuất
địa chất-môi trường miền Nam cho biết thêm, tại khu vực phường 10 quận 6
cũng đã phát hiện thêm bậc thềm nhà người dân lún 20cm và tốc độ sụt lún
10cm trong vòng 7 tháng.
Theo báo cáo của Liên đoàn địa chất thủy văn - địa chất công trình miền Nam,
trên bản đồ đẳng mực hạ thấp từ năm 2002 đến nay cho thấy 3 khu vực có mức
hạ thấp lớn là nông trường Phạm Văn Cội huyện Củ Chi (mức hạ thấp là 0,4-0,8


-7-


m), xã Vónh Lộc huyện Bình Chánh và huyện Nhà Bè đều có mực hạ thấp 0,380,77 m/năm.
Đánh giá của Liên đoàn cho rằng, do tình trạng khai thác nước dưới đất ngày
càng tăng, vượt quá khả năng cung cấp của tầng chứa nước nên mực nước có xu
hướng ngày càng hạ thấp. Nước mặn vì vậy cũng đang có xu thế di chuyển về
các trung tâm khai thác lớn như Nhà máy nước Hóc Môn, Vónh Lộc, Bình Hưng,
Bình Trị Đông. Huyện Củ Chi mặc dù ở xa các nhà máy khai thác nước lớn như
Hóc Môn, Gò Vấp nhưng mực nước ngầm hạ thấp hàng năm từ 0,4 đến 0,74 m,
điều này cho thấy tình trạng khai thác nước ngầm ở khu vực này đã vượt quá sự
cung cấp tự nhiên của tầng chứa nước rất nhiều", tiến só Nguyễn Bá Hoằng,
Liên đoàn địa chất thủy văn nhận định.
Cũng theo khảo sát, những khu vực này lại chính là nơi tập trung số lượng lớn
giếng khoan nước ngầm. Hiện toàn thành phố có khoảng 100.000 giếng khoan
với tổng lượng nước khai thác khoảng 600.000 tấn/ngày đêm. Mật độ trung bình
là 46 giếng/km2. Trong đó, chỉ riêng Phú Nhuận đã có 872 giếng/km2.
Ông Nguyễn Văn Khoa, Chi cục phó Chi cục Bảo vệ môi trường TPHCM cho
biết, kết quả quan trắc mực nước ngầm từ năm 2001 đến nay cho thấy mực nước
ngầm trên địa bàn thành phố liên tục hạ thấp. Mực nước tónh tại giếng 11A
(huyện Bình Chánh) là 12m (2001) đã hạ xuống mức 35m (2004), giếng 10B
(huyện Bình Tân) 20m, giếng 9A (quận 11) 15m, giếng 8B (Bàu Cát, quận Tân
Bình) khoảng 12m…
Thống kê của Phòng Quản lý tài nguyên nước và khoáng sản thuộc Sở Tài
nguyên môi trường TP HCM cho thấy, quận Phú Nhuận mới là khu vực tập
trung nhiều giếng khoan khai thác nước ngầm nhất với 872 giếng/km2.
Trên địa bàn thành phố hiện có khoảng 100.000 giếng khoan khai thác nước
ngầm có đường kính và độ sâu khác nhau, phân bố không đều trên các khu vực.


-8-

Mật độ trung bình 46 giếng/km2. Tầng chứa nước "tốt" Pleistocen tập trung đến

gần 79.000 giếng khoan, trong khi tầng trung bình Pliocen có hơn 17.000 giếng.
Tổng lượng nước ngầm đang được khai thác trên 500.000 m3/ngày, chiếm trên
30% nhu cầu nước sử dụng của cả thành phố.
Để bảo vệ và khai thác nguồn nước ngầm hợp lý hơn, TP HCM đã có chiến lược
quản lý nguồn nước ngầm. Theo đó, thành phố sẽ giảm lượng khai thác nước
ngầm vào năm 2007 đạt 520.000 m3/ngày và còn 500.000 m3/ngày đến năm
2010. Song các nhà khoa học địa chất cho rằng, chiến lược quy hoạch chỉ mới
chú ý phát triển nguồn nước và xây dựng công trình, chứ chưa quản lý quy
hoạch phát triển các lưu vực sông và châu thổ. Đặc biệt cần giám sát chặt hơn
nữa tình trạng giếng khoan khai thác nước ngầm và mở rộng mạng lưới cung cấp
nước sạch để giảm áp lực cho mạch nước ngầm.
Các nhà khoa học địa chất đều thống nhất, việc khai thác nước ngầm có thể dẫn
đến sụt lún địa tầng nếu lượng nước khai thác vượt quá lượng nước bổ cập. Khi
khai thác nước dưới đất, mực nước dưới đất của tầng bị khai thác bị hạ thấp
xuống, khai thác nước càng nhiều, mực nước dưới đất hạ thấp càng nhanh. Điều
này dẫn đến mất cân bằng 2 thành phần của áp lực địa tónh.
“Trên nguyên lý, việc khai thác nước ngầm tất yếu sẽ gây ra lún đất” - GS
Nguyễn Kim Cương khẳng định. Và nguyên lý này đã được chứng minh bằng
những nghiên cứu xác định mức độ lún do khai thác nước ngầm dưới đất ở nhiều
nước trên thế giới: Australia, TP Thượng Hải (Trung Quốc), Mexico, Anh, Nhật
Bản, Mỹ, Thái Lan…
Tại TP.HCM, việc trồi ống giếng khoan phát hiện thời gian qua chủ yếu tập
trung khu vực phía Nam thành phố.
Nếu phân tích điều kiện địa chất thủy văn tại đây, chúng ta có thể nhận thấy có
rất nhiều điểm tương đồng với điều kiện địa chất thủy văn khu vực thành phố


-9-

Bangkok (Thái Lan) như cùng là vùng đồng bằng của sông Mê Kông, có nhiều

tầng chứa nước nằm chồng lên nhau, khai thác nước dưới đất quy mô lớn, có các
lớp đất cố kết yếu rất dễ bị lún khi giảm áp lực do khai thác nước dưới đất…
Vậy thì không lý do gì việc khai thác nước ngầm tại Thái Lan khiến cho thành
phố này lún từ 0,6m đến 0,8m (đường kính rộng 200km), chỗ sâu nhất đã lún
0,9m mà TP.HCM lại không lún. Việc lún đất sẽ gây nên những tác hại nghiêm
trọng như tình trạng ngập lụt gia tăng, làm hỏng công trình ngầm và hệ thống
thoát nước, phá hủy hệ thống giao thông… Tác hại này sẽ tăng lên gấp bội khi
khu vực phía Nam TPHCM chỉ hơn mực nước biển khoảng 0,3m đến 2m.
Sở Tài nguyên-Môi trường đang gấp rút hoàn thiện dự án “Xây dựng mạng
quan trắc lún đất do khai thác nước ngầm trên địa bàn thành phố” trình UBND
TP.HCM phê duyệt. “Dự kiến tổng vốn đầu tư dự án này là 4 tỷ đồng nhưng khi
nào dự án này chính thức đi vào hoạt động thì chắc còn lâu”- ông Nguyễn Văn
Ngà lo lắng. Và trong khi chờ, thành phố vẫn đang nằm trong nguy cơ sụt lún
không kiểm soát được.
Theo Ngô Đức
Chân ( Liên
đòan Địa Chất
Thủy Văn Miền
Nam) báo cáo tại
Hội nghị KHCN
lần thứ 9 tại
trường Đại học
Bách Khoa
11/10/05

Hình 1.4: Bản đồ dự báo phân bố mực nước ngầm tầng Pliocen của
TP Hồ Chí Minh từ 12/2003 đến 12/2030


- 10 -


1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu :
1.2.1 Từ thực tiến dẫn dắt hướng nghiên cứu :
Việc hạ mực nước ngầm khi thi công hố đào tầng hầm sẽ làm phát sinh
chênh lệch cột nước ở phía trong và ngoài tường, nước ngầm sẽ từ ngoài hố
chảy vào trong hố đào sẽ làm thay đổi áp lực nước tónh lên tường chắn khi xét
thêm áp lực thấm, cốt liệu hạt rời sẽ bị cuốn theo dòng thấm của nước ngầm
làm biến đổi trạng thái đất nền khi dòng nước ngầm chảy qua.
1.2.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu :
• Tính toán các phương pháp hạ mực nước ngầm cho hố đào sâu thi công
tầng hầm .
• Tính áp lực dòng thấm lên tường trong đất phụ thuộc vào tần suất hạ
mực nước ngầm.
• Tính toán các sơ đồ làmviệc của tường trong đất khi xét thêm áp lực
dòng thấm.
• Lập trình tính toán lưu lượng và áp lực thấm khi mực nước ngầm thay
đổi.
• Đề xuất các kết cấu tường chắn ngăn thấm vào hố đào.
1.3 Phạm Vi Nghiên Cứu :
• Thay đổi mực nước ngầm lên hố đào sâu .
• Dòng chảy nước ngầm xét trong vùng bão hoà và áp lực thấm chỉ phát
sinh trong cùng bão hoà bỏ qua mao dẫn.
• Dòng thấm nước ngầm trong trạng thái ổn ñònh .


- 11 -

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠ
MỰC NƯỚC NGẦÀM TRONG TRONG THI CÔNG HỐ ĐÀO.
2.1 Giới thiệu chung.

Khi thi công hố móng và móng công trình, thường phải đào đất dưới mực
nước ngầm, nhất là đối với nhà cao tầng, móng đặt rất sâu, số tầng ngầm dưới
đất khá nhiều. Khi thi công nếu mực nước ngầm thấm vào trong hố móng làm
móng bị ngập nước nên sẽ hạ thấp cường độ đất nền, tính nén co tăng lên, công
trình sẽ bị lún quá lớn, hoặc tăng thêm ứng suất trọng lượng bản thân của đất,
tạo ra lún phụ thêm của móng, những điều đó sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến an
toàn của công trình xây dựng. Do đó, khi thi công hố móng cần thiết phải có các
biện pháp hạ nước ngầm và thoát nước tích cực để cho móng được thi công trong
trạng thái thi công khô ráo. Khi áp dụng các biện pháp hạ mực nước ngầm cần
tính toán tới các nhân tố sau :
• Loại đất và hệ số thẩm thấu .
• Cốt yêu cầu hạ thấp mực nước ngầm, thường thì mực nước ngầm phải
được hạ thấp đến dưới đáy hố móng 0.5-1,0m.
• Dùng hình thức nào để chắn giữ thành hố móng, đặc biệt là hố móng sâu .
• Diện tích hố móng lớn hay nhỏ.
2.2 Các phương pháp hạ mực nước ngầm .
Một số phương pháp hạ mực nước ngầm làm khô hố móng :
Để công tác thi công móng hoặc các tầng hầm được thuận lợi trong điều
kiện mực nước ngầm cao, cần có biện pháp hạn chế thẩm thấu nước vào khu
vực thi công hố đào. Việt Nam, đặc biệt là khu vực đồng bằng khi thi công
các công trình ta thường gặp nước ngầm. Nước ngầm chảy vào hố gây lở, sụt
vách hố đào, đồng thời cũng đẩy nổi đáy hố đào do đó việc thi công đáy hố đào


- 12 -

bằng bê tông rất khó thực hiện. Tuỳ thuộc vào lưu lượng nước, độ cao lớp nước,
vào thành phần hạt và tính chống thấm của đất nền mà định ra biện pháp chống
thấm (hạ mực nước ngầm) cho phù hợp. Các biện pháp thường được sử dụng là
bơm hút đáy bằng bơm phun dung dịch chống thấm vào đất và phương pháp

điện hoá.
a) Sử dụng •rãnh và hố thu nước .
Giải pháp này được dựa trên cơ sở các rãnh thu nước ở đáy hố đào tập
trung nước về hố thu để bơm ra khỏi hố móng, nó thường được áp dụng cho đất
cuội sỏi hoặc đá, lưu lượng nước ít, dòng chảy không mạnh, không cuốn trôi đất
vào hố đào. Đôi khi người ta còn tạo lớp lọc nước ở sau vách chống đất để giữ
cát không chảy gây sụt lở hố. Đây là phương pháp rẻ tiền. Chiều sâu hố thu
nước thường lấy bằng 1,0÷1,5m và cần phải chuẩn bị nhiều hố thu khi kích
thước hố đào lớn.
Lưu lượng nước phải bơm khỏi hố đào được tính theo công thức của Đácy :
Q=k.i.A

(2.1)

Trong đó :
Q : Lưu lượng nước (m3/phút)
k : Hệ số thấm của đất (m/s)
i=h/l : Gradien thuỷ lực
A : Tiết diện ngang của dòng thấm
Lưu lượng Q cần được dự tính trước khi thi công để chuẩn bị thiết bị và các
thiết bị và phương pháp bơm nước.


- 13 -

Hình 2.1 : Rãnh thu nước hố móng
b) Hạ mực nước ngầm bằng giếng lọc :
Xung quanh hố đào ta khoan một loạt các giếng lọc và đặt máy bơm hút
nước liên tục, mực nước ngầm ở dưới đáy hố đào được hạ thấp cục bộ, nằm ở cao
độ thấp hơn đáy móng khoảng 0,5÷1,0m, cho phép thi công hố móng hoặc tầng

hầm trên mặt bằng khô ráo. Phương pháp này có hiệu quả tốt khi đất nền là
đất cát hạt nhỏ đến hạt thô, với vận tốc dòng chảy 1÷100m3/ngày. Khi vận tốc
dòng chảy <1 m3/ngày, khối lượng nước quá nhỏ nên phương pháp này trở nên
không kinh tế. Nhược điểm của phương pháp này sẽ có khả năng gây cho vùng
xung quanh lún theo, do đó phi tính toán chính xác số lượng giếng và lưu lượng
bơm, thời gian bơm để sao cho ảnh hưởng đến khu vực xung quanh là ít nhất,
Giếng lọc không thu hồi được nên chỉ áp dụng tại những nơi mặt bằng thi công
rộng, lưu lượng lớn, điều kiện triển khai các giếng rời rạc, thời gian sử dụng lâu
nhưng không liên tục. Mỗi đợt bơm nên ngắn để đất không kịp lún.
Lưu lượng nước chảy vào hố đào được tính gần đúng theo công thức :
q = q.F +

F .hm K1
(m3 / h)
24

(2.2)

Trong đó :
q - lưu lượng lọc của 1 m2 hố đào phụ thuộc vào đất đá (cát hạt nhỏ lấy q=0,16;
hạt trung q=0,24; hạt thô q=0,35)
F - Diện tích hố đào (m2)
hm - Lượng nước mưa trong ngày
K1 - Hệ số dự phòng = 1,1÷1,3
Khi hố đào có tường cừ vây xung quanh, lưu lượng nước chảy vào hố xác định


- 14 -

theo công thức :


Q = q0 .U .H .h(m3 / h)

(2.3)

Trong đó :
q0 = 0,2÷1,3 : phụ thuộc vào độ dày lớp nước ngầm (độ cao cột nước áp lực H).
h - độ sâu chôn tường cọc bản .
U : Chu vi hố đào.

Hình 2.2 : Bố trí hệ thống giếng lọc


- 15 -

c) Hạ mực nước ngầm bằng ống kim lọc :
Nguyên lý hoạt động của ống kim lọc giống như giếng lọc song việc triển
khai và thu hồi nhanh do kim lọc tự hạ, không cần khoan. Các kim lọc hoạt động
theo một hệ thống nhất nên hiệu quả cao, kim có thể đặt dầy nên có thể tạo
thành vành đai chặn nước ngầm chảy vào hố móng. Kim lọc áp dụng khi hố đào
cần ngăn nước liên tục nhưng lưu lượng nhỏ.
Hạ mực nước ngầm bằng kim lọc khi mực nước ngầm lớn thì phải chia làm
nhiều cấp. Mỗi cấp bố trí một hệ thống kim. Khi hạ mực nước ngầm bằng giếng
lọc hay kim lọc cần phải xác định được các thông số :
Hệ số lọc k, bán kính hoạt động của giếng R, chiều sâu H, chiều dầy của tầng
nước ngầm S, để tính toán chính xác hiệu quả hạ nước ngầm của giếng. Thông
thường người ta khảo sát thí nghiệm trước khi bố trí giếng chính thức. Đôi khi để
giảm lún cho công trình bên cạnh, người ta kết hợp hạ mực nước ngầm với bơm
nước lộ thiên sẽ đạt hiệu quả cao hơn, lúc đó mực nước ngầm ở ngoài vùng kim
lọc không cần hạ nhiều. Ưu điểm của phương pháp hạ mực nước ngầm là làm

giảm tối đa nước chảy vào hố đào, giảm áp lực lên vách chống thành hố đào, thi
công thuận lợi hơn.
Một trong những vấn đề rất quan trọng ở đây là làm sao chống lún cho công
trình bên cạnh do ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm. Người ta đưa ra lời
khuyên là thời gian hút nước phải là tối thiểu. Việc hoạt động của giếng lọc chỉ
chấm dứt hoạt động khi đó• hàn đáy tầng hầm chống thấm tường. Cần thu hồi lại
toàn bộ hệ thống ống kim lọc để sử dụng cho công trình khác.
Lưu lượng nước trong hệ thống kim lọc xác định theo công thức :
Q=

1.36.(2 H − S ).S .k 3
(m / s)
F
lg R − lg
H

(2.4)


- 16 -

Công thức này áp dụng cho sơ đồ ống hình vòng khép kín. Đối với sơ đồ bố trí
theo đường dùng công thức :
Q=

( H 2 − h).l.k 3
(m / s )
R

(2.5)


Trong đó :
H - Độ dày của lớp nước ngầm (m).
S - Mực nước cần hạ (m)
h - Độ dày lớp nước còn lại (m)
k - Hệ số lọc (m/ngày)
R - Bán kính hoạt động của kim lọc (m)
F - Diện tích xung quanh vùng kim lọc (m2)
l - Chiều dài chuỗi kim lọc (m)
Bán kính hoạt động của kim xác định theo công thức của Cusakin :
R = 575S.H.k

(2.6)

Hình 2.3 : Hệ thống ống kim lọc hạ mực nước ngầm
d) Hạ mực nước ngầm bằng phương pháp điện thấm :
Khi đất nền là loại đất hạt bụi hoặc á sét (k=10-3 ÷ 10-5 cm/s) việc sử
dụng phương pháp giếng thu nước thông thường ít có hiệu quả do lưu lượng nước


- 17 -

tập trung về giếng không lớn trong khi nước vẫn thấâm vào đáy hố đào. Bằng
cách sử dụng dòng điện một chiều có thể định hướng và làm tăng lưu lượng
nước tập trung về các giếng. Nguyên lý của phương pháp này được minh hoạ
trên hình (2.4). Trong điện trường giữa các điện cực nước tự do trong đất
di chuyển qua các lỗ rỗng từ dương cực sang âm cực. Biện pháp này làm thoát
nước tỏng lỗ rỗng của đất, tăng cường độ của đất do đó làm tăng khả năng ổn
định của thành hố đào.


Hình 2.4 : Hạ mực nước ngầm bằng phương pháp điện thấm
Theo Casagrande, hệ số điện thấm của cát, cát bụi và sét được lấy bằng
Kc=0,5.10cm/s

khi

chênh

lệch

điện

thế

bằng

volt/cm,

nghóa

là

Kc=0,5x10(cm/s)/(volt/cm).
2.3 Thiết kế hệ thống giếng hạ mực nước ngầm cho hố đào sâu tầng hầm
Trong nội dung thiết kế cần đánh giá lưu lượng bơm hút đòi hỏi và tính
mực áp lực giảm ở gần hố móng. Giả thiết là đã tiến hành các thí nghiệm thích
hợp để xác định hệ số thấm k trung bình, hay có thể xác định theo phương pháp
thí nghiệm bơm hút trong tầng chứa nước bị chặn như sau :



- 18 -

a. Bơm hút trong tầng chứa nước bị chặn .
Giếng
bơm hút

q

r2

r1

Mực nước
ngầm ban đầu

dh

Giếng quan trắc

Tầng không thấm

h2
D

h

h1

Mực nước
ngầm hạ thấp


Tầng chứa nước

dr Tầng không thấm

r

Hình 2.5 : Đường hạ mực nước ngầm khi bơm hút trong tầng chứa nước bị chặn

Ở trạng thái thấm ổn định, xem xét dòng thấm qua 1 nguyên tố hình trụ có bán
kính r, dày dr và chiều cao h .
Gradient thuỷ lực từ ngoài vào trong
Diện tích dòng thấm A=2πr
Sử dụng phương trình Darcy ta có
Sau khi tích phân ta sẽ có
Rút ra :

i=

dh
dr

dh
dr
2πDk
ln(r 2 / r1) =
(h 2 − h1)
q
2πDk (h2 − h1)
q=

ln(r 2 / r1)

q=Aki=2πr

(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)