Nghiên cứu hiệu quả hệ thống giếng giảm áp k160÷161 đê Tả Hồng

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 37 NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG GIẾNG GIẢM ÁP K160÷161 ĐÊ TẢ HỒNG BÙI VĂN TRƢỜNG* Research effects of pressure relief wells K160 ÷ 161 left red river dike Abstract: This paper presents the results of empirical observation technical parameters of pressure relief wells K160÷161 left Red rive dike. From that analysis, performance assessment and proposals management solutions, operational safety and improve the efficiency of the relief wells. Keywords: Experimental efficiency, pressure reducing wells, the Red River dike. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Giếng giảm áp (GGA) là giải pháp kỹ thuật được áp dụng khá phổ biến để xử lý biến dạng thấm (BDT) đảm bảo an toàn cho hệ thống đê (hình 1). GGA có ưu điểm là tốn ít diện tích nên đối với những đoạn đê có mật độ dân cư đông đúc, phía sông không có bãi, việc áp dụng các giải pháp khác như đắp tầng phản áp hạ lưu (TPA), sân chống thấm (SCT) và tường chống thấm (TCT) gặp nhiều khó khăn thì GGA là giải pháp có tính khả thi cao. Hình 1. Hệ thống giếng đào giảm áp tại K160÷161 đê Tả Hồng Hiện nay việc giải phóng mặt bằng để thực hiện dự án thường gặp nhiều khó khăn, vật liệu * Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội Email: buitruongtb@gmail.com đất đắp khan hiếm, để nâng cấp hệ thống đê ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng, nếu áp dụng rộng rãi các giải pháp truyền thống như TPA, SCT sẽ không thể có đủ khối lượng đất để đắp và như vậy công trình cũng sẽ chiếm dụng mặt bằng rất lớn, ảnh hưởng đến quỹ đất, ảnh hưởng kiến trúc hạ tầng, môi trường sinh thái, mỹ quan của vùng và sự phát triển kinh tế xã hội dải ven đê. Trong điều kiện đó, GGA được xem là một trong những giải pháp ưu việt và khá linh hoạt. Tuy nhiên, hiệu quả của hệ thống GGA phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố của địa hệ Tự nhiên - kỹ thuật (TNKT) dải ven đê, phương pháp tính toán thiết kế, đặc biệt là kỹ thuật thi công lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống giếng. Việc nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của một hệ thống GGA cụ thể tại K160÷161 đê Tả Hồng trên cơ sở các số liệu quan trắc thực nghiệm, từ đó đúc rút kinh nghiệm cho công tác khảo sát, thiết kế, thi công và vận hành nhằm tối ưu hoá khả năng hoạt động cho hệ thống GGA có vai trò quan trọng đảm bảo an toàn cho hệ thống đê. 2. TÁC DỤNG, CẤU TẠO CỦA GIẾNG ĐÀO GIẢM ÁP Giếng đào giảm áp có tác dụng giảm áp lực của dòng thấm ở nền đê, biến dòng thấm tự nhiên thành dòng thấm chủ động, có thể kiểm soát, từ đó ngăn chặn các hình thức BDT như ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 38 xói ngầm, đùn đất, giữ cho nền đê được ổn định. Giếng đào giảm áp được bố trí theo tuyến dọc đê, cách chân đê phía đồng từ 20m đến 40m. Độ sâu của giếng phụ thuộc vào cấu trúc nền đất, sao cho giếng cắm sâu vào tầng chứa nước khoảng 0,5-1,0m. Thông thường giếng có độ sâu từ 5m đến 8m. Khi giếng hoạt động, nước áp lực trong tầng chứa nước được thoát qua đáy giếng, chảy vào rãnh thu rồi thoát ra ngoài. Thân giếng được lắp ghép từ các khoanh giếng đúc sẵn bằng bê tông cốt thép có đường kính 1,01,2m , giữa các khoanh giếng có lớp vải địa kỹ thuật bọc lót phía ngoài và bắt ép chắc chắn với nhau bằng đai thép. Đáy giếng có thiết kế tầng lọc ngược, dưới cùng là cát hạt thô dày 0,2m sau đó đến lớp vải địa kỹ thuật (Geostextile), trên cùng là lớp cuội sỏi hoặc đá dăm cỡ 1020mm, dày 0,5m. 3. THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG GIẾNG GIẢM ÁP Giếng đào giảm áp được xây dựng thử nghiệm trên đoạn K160÷161 đê Tả Hồng (Hình 1&2). Tại đây hệ thống GĐGA được thiết kế theo một tuyến dọc đê gồm 5 giếng, cách chân đê 2022m, khoảng cách giữa các giếng là 10m, giếng sâu 5 m, đường kính giếng D=1.0m. Vị trí xây dựng hệ thống GĐGA là khu vực nền đê xung yếu, thường xuất hiện tập đoàn mạch đùn. Hệ thống quan trắc gồm 8 giếng khoan được bố trí theo một tuyến song song và một tuyến vuông góc với tuyến GĐGA và tuyến đê (hình 3). Lưu lượng thoát của giếng được xác định theo công thức Côdơni :          t a a r r R KaS Q 2 cos51 lg 73,2 0 0  , trong đó : Q- Lưu lượng thoát của giếng; K- Hệ số thấm của tầng chứa nước; a - Chiều sâu ngập của giếng vào TCN; S - Độ hạ thấp mực áp lực của giếng; r0- Bán kính của giếng; R- Bán kính ảnh hưởng của giếng; t - Chiều dày tầng chứa nước. Kết quả tính toán lưu lượng thoát nước của giếng được trình bày ở bảng 1. Kỹ thuật thi công giếng có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng, hiệu quả của GGA. Giếng đào giảm áp thường được thi công theo phương pháp truyền thống, đào, đánh thụt từng đoạn buy. Phương pháp này thường gặp khó khăn do nước có áp, theo đó chất lượng thi công giếng cũng khó được đảm bảo nếu không có giải pháp xử lý phù hợp. Bơm nước tạo áp và xói đất là công nghệ thi công có nhiều ưu điểm và có tính khả thi cao (hình 2). Hình 2. Thi công giếng đào giảm áp tại K160÷161 đê Tả Hồng GiÕng quan tr¾c GiÕng ®µo gi¶m ¸p QS1 G1 QS7 QS8 QS6 QS5 QS4 QS3 QS2 QS1 G5 G4 G3 G2 G1 Chó gi¶i : §ª chÝnh Khu d©n sinh P h Ýa S« n g h å n g QS1 QS1 TuyÕn quan tr¾c Bæng §iÒn B¸ch ThuËn T©n LËp Hình 3. Sơ đồ bố trí hệ thống GGA và giếng quan trắc tại K160÷161 đê Tả Hồng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 39 Bảng 1. Lƣu lƣợng tính toán của hệ thống giếng giảm áp Mực Độ hạ thấp Lưu lượng thoát Q, l/s nước lũ S, m G1 G2 G3 G4 G5 BĐII 0.47 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 BĐIII 0.56 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 ĐL 1.22 0,39 0,39 0,39 0,39 0,39 4. KẾT QUẢ QUAN TRẮC Công tác quan trắc địa chất thuỷ văn và các thông số kỹ thuật của hệ thống GGA được thực hiện trong mùa lũ năm 1996, 2003, 2004. Lưu lượng thoát của mỗi giếng được đo trực tiếp tại cửa thoát của giếng. Mực nước áp lực (MNAL) trong tầng chứa nước dưới tầng phủ được đo tại các giếng quan trắc và giếng nước sinh hoạt. Kết quả quan trắc lưu lượng thoát và độ hạ thấp MNAL của giếng được trình bày ở bảng 2&3. Bảng 2. Lƣu lƣợng thoát của hệ thống giếng đào giảm áp ứng với các mức lũ Thời gian Mức Q, l/s quan trắc lũ G1 G2 G3 G4 G5 BĐII 0,08 0,03 0,13 0,12 0,11 Mùa lũ 1996 BĐIII 0,09 0,05 0,12 0,13 0,14 ĐL 0,21 0,09 0,31 0,32 0,30 BĐII 0,05 0,02 0,06 0,08 0,09 Mùa lũ 2004 BĐIII 0,05 0,03 0,07 0,09 0,11 ĐL 0,07 0,04 0,09 0,10 0,12 Bảng 3. Độ hạ thấp mực nƣớc áp lực (S, m) của hệ thống GGA ứng với các mức lũ Thời gian quan trắc Mực lũ Khoảng cách từ tim đê ( L, m) 24 m (QS1) 47 m (QS2) 62 m (QS3) 96 m (QS4) 171 m (QS5) BĐII 0,25 0,33 0,25 0,15 0,08 Mùa lũ 1996 BĐIII 0,31 0,40 0,31 0,20 0,11 ĐL 0,64 0,86 0,65 0,40 0,20 BĐII 0,16 0,20 0,16 0,10 0,05 Mùa lũ 2004 BĐIII 0,20 0,25 0,20 0,13 0,07 ĐL 0,26 0,33 0,27 0,17 0,09 5. HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG GIẾNG GIẢM ÁP Kết quả thực tế cho thấy, GĐGA là giải pháp có hiệu quả tốt, trong một khoảng thời gian dài trong khu vực nền đê được xử lý không còn xuất hiện mạch đùn. GĐGA dễ thi công, giá thành rẻ. Tuy nhiên kết quả quan trắc ở bảng 2 cũng cho thấy, lưu lượng thoát thực tế của giếng đạt thấp hơn khá nhiều so với số liệu tính toán ban đầu và giảm dần không đồng đều. Theo số liệu quan trắc năm 1996, trong 5 giếng đã thi công, có 3 giếng đạt lưu lượng Q > 0,30l/s, 1 giếng đạt 0,21l/s và 1 giếng chỉ đạt 0,09l/s. Hầu hết các giếng có lưu lượng thoát đạt 55%80% lưu lượng tính toán, có giếng chỉ đạt 22%. Khả năng thoát nước của giếng cũng suy giảm theo thời gian (bảng 2). Sau 8 năm (từ 1996 đến 2004), lưu lượng thoát của giếng chỉ còn 16%54% lưu lượng tính toán. Độ hạ thấp MNAL của giếng phụ thuộc vào mực nước lũ, vị trí, khoảng cách và “tuổi thọ” của giếng. Ở mức đỉnh lũ năm 1996, thời điểm hệ thống giếng xây dựng được 1 năm, MNAL tại vị trí chân đê giảm được 0,64m, ở gần giếng giảm 0,86m, cách tim đê về phía đồng 172m giảm được 0,2m. Năm 1996 ở mức lũ 4.51m, MNAL tại chân đê giảm được 0,31m, ở gần giếng giảm được ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 40 0.40m. Nhưng đến năm 2004 với mức lũ 4,58m, MNAL tại chân đê chỉ giảm được 0,20m, ở gần giếng giảm được 0,25m. Rõ ràng, hiệu quả giảm áp của hệ thống giếng có sự suy giảm theo thời gian. 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 25 50 75 100 125 150 175 200 Kho¶ng c¸ch tõ tim ®ª (L, m) H, m MN ®o ¸p n¨m 1996 MN ®o ¸p n¨m 2004 Hình 2. Đường hạ thấp mực nước áp lực theo mặt cắt ngang tuyến giếng giảm áp ở mức lũ BĐIII Để nhìn nhận cụ thể hơn về hiệu quả hoạt động của hệ thống GGA theo thời gian, đã sử dụng phần mềm Visual Modflow phiên bản 4.2.0.151 mô phỏng hệ thống GGA trong mô hình địa hệ TNKT dải ven đê theo mô hình bài toán thấm 3D. Kết quả mô hình đã xác lập được trường phân bố áp lực thấm, phễu hạ thấp MNAL ở nền đê ứng với từng thời điểm lũ (hình 3). Hình dạng, kích thước của phễu phụ thuộc vào mức lũ và khả năng thoát nước của hệ thống giếng. Dùng phương pháp chập bản đồ phiễu hạ thấp MNAL tại từng thời điểm (thiết kế, 1996, 2004) với bản đồ MNAL cho phép, dễ dàng xác định được phạm vi (diện tích) có nguy cơ phát sinh BDT tương ứng ở từng thời điểm. Tổng hợp loạt bản đồ này cho phép thành lập được bản đồ đánh giá hiệu quả của hệ thống GGA theo thời gian (hình5). Đây là bức tranh rất trực quan về hiệu quả của hệ thống GGA. Tại thời điểm sau 1 năm hoạt động (năm 1996), phạm vi được đảm bảo ổn định thấm chỉ đạt 76% so với thiết kế ban đầu và sau 8 hoạt động (từ 1996 đến 2004), phạm vi có nguy cơ phát sinh BDT gia tăng 21%. Như vậy, sự suy giảm hiệu quả của hệ thống giếng theo thời gian là rất rõ ràng. Nguyên nhân chủ yếu do keo sắt kết tủa, dính bám và bụi sét làm tắc tầng lọc. Phương pháp tính toán, khối lượng khảo sát còn hạn chế chưa phản ánh đầy đủ cấu trúc địa chất phức tạp ở nền đê là yết tố dẫn đến hiệu quả tính toán còn chưa sát với thực tế. Chú giải: tuyến đê; 2.5 đường đẳng mực nước áp lực thực tế; 2.7 đường đẳng mực nước áp lực cho phép Hình 3. Phễu hạ thấp mực nước áp lực của hệ thống GGA ở mức lũ BĐII ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 41 4Khi cã GGA theo tÝnh to¸n lý thuyÕt : Khi cã GGA theo quan tr¾c n¨m 2004 : Khi kh«ng cã giÕng gi¶m ¸p : Ph¹m vi ph¸t sinh BDT : 3 +2 +1 + Khi cã GGA theo quan tr¾c n¨m 1996 : 2 + 3 + 3 + 4 4 4 2 4 3 1 S« n g h å n g Khu d©n sinh Kªnh dÉn S«ng §ª chÝnh Chó gi¶i : §ª bèi Bæng ®iÒn B¸ch thuËn Hình 5. Sơ đồ đánh giá hiệu quả của hệ thống giếng giảm áp theo thời gian 6. KẾT LUẬN - GĐGA là giải pháp mang lại hiệu quả tốt, dễ thi công, giá thành rẻ. Tuy nhiên, hiệu quả thoát nước và giảm áp của GGA suy giảm theo thời gian. Nguyên nhân chủ yếu do keo sắt dính bám và bụi sét làm tắc tầng lọc. Để đảm bảo an toàn cho công trình, cần định kỳ bảo dưỡng hệ thống giếng theo đúng kỹ thuật. - Những nơi nền đê có tầng chứa nước nằm nông, sử dụng giải pháp GĐGA là phù hợp. Nên mở rộng giải pháp này ở nơi có điều kiện thích hợp, đồng thời có thể kết hợp với TPA có chiều rộng, chiều dày phù hợp để nâng cao hiệu quả xử lý BDT ở nền đê. Khi sử dụng giải pháp này, cần khảo sát, thu thập đầy đủ, chính xác các tài liệu môi trường địa chất nền đê. - Trong điều kiện thích hợp nên kết hợp GGA làm giếng khai thác nước thường xuyên để cung cấp nước cho sinh hoạt của dân cư và tưới. Như thế sẽ có tác dụng giảm hiện tượng kết tủa gây tắc giếng, nâng cao hiệu quả của giếng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tạ Văn Kha, Vũ Cao Minh (1997), Một số kết quả bước đầu nghiên cứu hiệu quả hạ thấp áp lực nước ngầm bằng giếng giảm áp, Các báo cáo khoa học, Hội nghị khoa Địa chất công trình với sự nghiệp Cộng nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước, Hà Nội. [2]. Bùi Văn Trường (2004), Nghiên cứu, đánh giá khả năng ổn định thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình, Báo cáo đề tài khoa học cấp tỉnh, Thái Bình. [3]. Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ (2008), Biến dạng thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình và một số kết quả nghiên cứu, Báo cáo tuyển tập công trình khoa học, Hội thảo khoa toàn quốc Tai biến địa chất và giải pháp phòng chống, Hà Nội. [4]. Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ (2009), Nghiên cứu, dự báo biến dạng thấm ở nền đê sông tỉnh Thái Bình bằng phương pháp mô hình không gian, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất số 25/01-2009, Hà Nội. [5]. TCVN 8413 : 2010 Công trình thủy lợi – Vận hành và bảo dưỡng hệ thống giếng giảm áp cho đê. [6]. TCVN 9157 : 2012 Công trình thủy lợi – Giếng giảm áp – Yêu cầu thi công, kiểm tra và nghiệm thu. [7]. Waterloo Hydrogeologic, Visual Modflow 4.2.0.151, Canada. Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG