Ứng dụng phần mềm Visual Modflow 4.2.0.151 khi tính toán hệ thống giếng hạ mực nước ngầm bảo vệ hố móng khi xây dựng công trình trên nền cát chảy

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM VISUAL MODFLOW 4.2.0.151 KHI TÍNH TOÁN HỆ 
THỐNG GIẾNG HẠ MỰC NƯỚC NGẦM BẢO VỆ HỐ MÓNG KHI XÂY DỰNG 
CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN CÁT CHẢY 
 KS TRẦN VĂN TOẢN 
 Đại học Thủy lợi 
Tóm tắt: Khi tính toán thiết kế hệ thống giếng hạ mực nước ngầm để bảo vệ hố móng 
công trình chúng ta thường sử dụng các công thức tính toán theo dòng thấm ổn định và mô 
hình 2D, việc tính toán này không được chính xác lắm. Để nhanh chóng và chính xác hơn cần 
ứng dụng các phần mềm để tính toán theo dòng thấm không ổn định và mô hình 3D mô 
phỏng sát với thực tế hơn. Ứng dụng phần mềm Visual Modflow 4.2.0.151 sẽ giúp ta giải 
quyết các nội dung này rất hiệu quả nhằm tăng mức độ chính xác, giảm thời gian và công sức 
tính toán. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
 Việt Nam là nước đang phát triển nên các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông, dân 
dụng đã, đang và sẽ được xây dựng rất nhiều. Phần lớn các công trình xây dựng ở khu vực 
ven các con sông lớn, ven biển của nước ta và đặc biệt ở đồng bằng Bắc Bộ, ven sông Hồng 
thì đất nền thường là lớp cát mịn rất dày, mực nước ngầm thường cao nên trong quá trình thi 
công không tránh khỏi những ảnh hưởng bất lợi của dòng nước ngầm người ta thường dùng 
hệ thống giếng để hạ mực nước ngầm (HMNN) bảo vệ đáy và mái hố móng đảm bảo thi công 
bê tông trong điều kiện khô ráo. Chúng ta đã áp dụng các công thức tính toán dựa trên lý 
thuyết dòng thấm ổn định và mô hình 2D để thiết kế hệ thống giếng HMNN cho nhiều công 
trình như Âu thuyền Cầu Đất (Hải Dương), trạm bơm Kim Đôi (Hà Bắc), trạm bơm Như 
Trác, Hữu Bị II (Hà Nam), cống Liên Mạc (Hà Tây), trạm bơm Tràm (Hải Dương), cống Vân 
Cốc, cống Hiệp Thuận, hệ thống kênh dẫn cụm công trình đầu mối Hát Môn - Đập Đáy (Hà 
Tây),  và nhiều công trình dân dụng, giao thông, công nghiệp khác. Rất nhiều công trình 
khi thi công đã phải điều chỉnh bằng thiết kế bổ sung số lượng giếng, độ sâu hạ giếng hoặc kết 
hợp phương pháp HMNN khác do thiết kế không chính xác. Vì vậy, việc tính toán thiết kế 
chính xác hệ thống giếng HMNN sẽ góp phần đảm bảo điều kiện kỹ thuật, chất lượng và góp 
phần giảm giá thành công trình. 
2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 
 Khi thiết kế hệ thống giếng HMNN có thể bố trí một hoặc nhiều hàng giếng làm việc 
đồng thời và sự ảnh hưởng của chúng với nhau là yếu tố cần được xét đến. 
Mặt khác khi hệ thống giếng gồm nhiều loại giếng khác nhau, có lưu lượng bơm khác 
nhau, đặt ở độ sâu khác nhau, địa chất ở xung quanh các giếng này khác nhau và nguồn bổ 
sung nước ngầm khác nhau nên lưu lượng thấm vào các giếng khác nhau. Do đó, các yếu tố 
đầu vào của việc tính toán phức tạp hơn và đặc biệt là khi thiết kế cần đưa ra nhiều phương án 
so sánh thì việc tính toán theo truyền thống sẽ gặp nhiều khó khăn và thường có sai số lớn. 
 Việc ứng dụng công nghệ tin học bằng các phần mềm chạy trong môi trường Windows 
để tính toán thiết kế HMNN sẽ giảm được công sức, thời gian và tăng độ tin cậy. 
 Nổi trội trong các phần mềm hiện đại là phần mềm Visual Modflow của Canada. Phiên 
bản mới nhất là 4.2.0.151 sản xuất năm 2006 chạy trong môi trường Windows XP. 
VisualModflow là phần mềm mạnh, có đủ tính năng cần cho mô hình dòng chảy ngầm 3 
chiều và hỗ trợ rất lớn về đồ họa. 
3. THU THẬP SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 
 Để tính toán thiết kế hệ thống giếng HMNN bằng phần mềm Visual modflow cần thu 
thập các tài liệu như hệ số thấm theo phương dọc Kd, phương ngang Kn và phương đứng Kđ 
của từng lớp đất nền, kích thước và chiều sâu hố móng, độ sâu cần HMNN, chiều sâu hạ 
giếng, vị trí, số lượng và khoảng cách giữa các giếng, thí nghiệm hiện trường để xác định lưu 
lượng hút nước đơn vị của mỗi giếng, thời gian cần thiết để HMNN đến độ sâu thiết kế. 
4. CƠ SỞ TÍNH TOÁN CỦA PHẦN MỀM VISUAL MODFLOW 
4.1. Phương trình toán học 
 Phương trình tổng quát biểu diễn chuyển động của nước ngầm có dạng như sau: 
t
h
SW
z
h
K
zy
h
K
yx
h
K
x
szzyyxx














 (4.1) 
 Trong đó: Kxx, Kyy, Kzz - Hệ số thấm theo các hướng x, y và z (z là chiều thẳng đứng). 
 h - Mực nước dưới đất tại vị trí (x, y, z) ở thời điểm t. 
 W - Môdul dòng ngầm hay giá trị bổ sung hoặc giá trị thoát đi của nước 
ngầm tính tại vị trí (x, y, z) ở thời điểm t. 
 Ss - Hệ số nhả nước đơn vị (1/m). 
 Với Ss = Ss(x,y,z); Kxx = Kxx(x,y,z); Kyy = Kyy(x,y,z); Kzz = Kzz(x,y,z) – Các hàm phụ 
thuộc vào vị trí không gian x, y, z. 
 Phương trình (4.1) mô tả dòng ngầm trong điều kiện không ổn định cho môi trường 
không đồng nhất và dị hướng. 
4.2. Phương pháp giải 
 Để giải phương trình (4.1), ta phải tìm hàm số h(x,y,z,t), thoả mãn (4.1) và thoả mãn các 
điều kiện biên. Việc tìm lời giải giải tích h(x,y,z,t) cho phương trình (4.1) thường là rất khó. 
Do đó người ta buộc phải giải bằng phương pháp giải gần đúng được áp dụng ở bài toán này 
là phương pháp sai phân hữu hạn hay phân chia không gian liên tục thành các ô không gian 
hay còn gọi là quá trình rời rạc hoá. 
 Trên cơ sở cân bằng ô lưới (i, j, k) và các nguồn theo bước thời gian tm-1 đến tm, chúng 
ta có được hệ phương trình sai phân tổng quát sau: 
CRi,j-1/2,k(
m
kji
m
kji hh ,,,1, ) + CRi,j+1/2,k(
m
kji
m
kji hh ,,,1, ) + CCi-1/2,j,k(
m
kji
m
kji hh ,,,,1 ) + 
CCi+1/2,j,k(
m
kji
m
kji hh ,,,,1 ) + CVi,j,k-1/2(
m
kji
m
kji hh ,,1,, ) + CVi,j,k+1/2(
m
kji
m
kji hh ,,1,, ) + 
Pi,j,k
m
kjih ,, + Qi,j,k = Ssi,j,k( rj ci vk)( 
1
,,,,
 m kji
m
kji hh )/(tm - tm-1) (4.2) 
 Với: CR, CC, CV - Độ dẫn nước của lớp chứa nước tại ô (i, j, k). 
 P - Lưu lượng trao đổi đơn vị của hệ thống. 
 Q -Tổng lượng trao đổi của hệ thống với bên ngoài. 
 rj ci vk - Khoảng sai phân theo phương x, y, z. 
 Ss - Hệ số nhả nước và tm, tm-1 là hai bước thời gian kế cận nhau. 
 Hệ phương trình (4.2) được giải bằng phương pháp lặp, người ta tiến hành chia nhỏ 
khoảng thời gian (tm-1,tm), kết quả nhận được là lời giải gần đúng của hệ phương trình. 
 Khi t tăng lên thì h sẽ thay đổi. Khi h đạt được sự ổn định ( ht< hcp) thì mực nước đạt 
được sự cân bằng động và tại đây kết thúc quá trình tính toán. 
hm-1 = hm-1,n
 Cao tr×nh mùc n­íc tÝnh ®­îc cho b­íc thêi gian m-1 
KÕt thóc tÝnh to¸n cho b­íc thêi gian m-1 
B¾t ®Çu tÝnh to¸n cho b­íc thêi gian m 
hm,0 
hm,1 
hm,n-1 
hm,n 
KÕt thóc tÝnh to¸n cho b­íc thêi gian m 
B¾t ®Çu tÝnh to¸n cho b­íc thêi gian m+1 
hm+1 = hm+1,n
Cao tr×nh mùc n­íc 
tÝnh ®­îc cho b­íc 
thêi gian m+1
NÕu dao ®éng 
| h
m,n
 – h
m,n-1
 | nhá h¬n gi¸ trÞ 
chªnh lÖch cho phÐp th× qu¸ 
tr×nh tÝnh to¸n ®­îc coi lµ 
hoµn tÊt ë ®©y 
Hình 1. Sơ đồ giải hệ phương trình sai phân 
4.3. Các điều kiện biên dùng trong mô hình tính toán 
 Có 3 loại điều kiện biên chính là MNN tự nhiên (h= const), lưu lượng hút nước đơn vị 
của mỗi giếng q= const và lưu lượng bổ sung nước ngầm vào khu vực hố móng Q= f( h) 
(Trong tự nhiên những biên này được mô phỏng là sông, biển, kênh thoát, mạch lộ, tường 
chắn, đá gốc, bốc thoát hơi, thấm xuyên, lỗ khoan hút nước hoặc ép nước). 
5. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG GIẾNG HẠ MỰC NƯỚC NGẦM CỐNG 
HIỆP THUẬN – HÀ TÂY 
 Các thông số tính toán: K=9x10-3cm/s=7,8 (m/ngày đêm), đường kính ống lọc 
D=100mm, chiều dài ống lọc L=2,0m, chiều sâu HMNN ở đáy hố móng So=6,8m, chiều sâu 
hạ giếng H=13,35m, lưu lượng đơn vị mỗi giếng q=42,6m3/ngđ, bố trí giếng xung quanh hố 
móng ở cao trình +5,6m và cách mép hố móng 2,0m. 
 Sơ đồ tính toán như hình 2 và hình 3: 
+5,0 (MNN tù nhiªn)
MNN æn ®Þnh sau khi h¹ thÊp
GiÕng hót n­íc h¹ thÊp MNN 
+5,6
-1,2 -1,8
1:3 1:
3
MÆt ®Êt tù nhiªn
30m
1:
31:3
-6,9
+8,4
Hình 2. Mặt cắt ngang hố móng cống Hiệp Thuận phương án 1 
+5,1 -1,2 +5,6
GiÕng
èng dÉn n­íc
§­êng thi c«ng
m
=
3
m
=
3
m
=
3
m
=
3
m=3
m=3
m=3
m=3
Hình 3. Sơ đồ bố trí hệ thống HMNN cống Hiệp Thuận phương án 1 
Sơ đồ khối chạy phần mềm: Hình 4. 
Sau khi tính toán so sánh nhiều phương án thì ta chọn được số giếng cần bố trí là 204 
giếng và khoảng cách giữa các giếng là 2,0m. Khi hệ thống giếng hút nước liên tục 10 ngày 
thì MNN ở giữa hố móng ổn định ở cao trình -1,66m thấp hơn đáy mống 0,46m (Đạt yêu cầu 
thiết kế). Kết quả tính toán theo phương án này được biểu diễn như hình 5 đến 13 và bảng 1. 
 m-1
Thay vµo hµm h(x,y,z,t)
Sai
m
 =
 m
+
1
h
tm
 - htm tm-1 < = th 
 §óng
 Dõng
 t=t
X©y dùng m« h×nh m« pháng nÒn, ®Þa chÊt thñy
B¾t ®Çu
v¨n (Kx, Ky, Kz, MNN, nguån bæ sung n­íc...)
khu vùc x©y dùng c«ng tr×nh b»ng
 thêi gian hót n­íc cña hÖ thèng giÕng
 nhËp l­u l­îng hót n­íc ®¬n vÞ cña mçi giÕng,
§Æt c¸c giÕng (vÞ trÝ, chiÒu s©u) lªn m« h×nh,
§Æt c¸c giÕng quan tr¾c (vÞ trÝ, chiÒu s©u) lªn m«
h×nh, nhËp mùc n­íc ban ®Çu trong mçi giÕng,
c¸c phÇn tö khèi trong kh«ng gian
Thay vµo ph­¬ng tr×nh 4.2
 hcph
; t=t m
§óng
Sai
In kÕt qu¶ d¹ng sè liÖu vµ ®å häa
Hình 4. Sơ đồ khối chạy phần mềm 
Hình 5. Bố trí hệ thống giếng cách nhau 
2,0m để hạ MNN và giếng quan trắc MNN 
xung quanh phạm vi hố móng theo không 
gian 3D 
Hình 6. MNN đã được hạ thấp và giếng quan 
trắc MNN xung quanh hố móng sau 10 ngày 
hút nước liên tục theo không gian 3D 
Hình 7. Mặt bằng bố trí hệ thống giếng và MNN đã được hạ thấp ở xung quanh hố móng 
Hình 8. Mặt cắt dọc đi qua tim hố móng Hình 9. Mặt cắt dọc đi qua tim hố móng 
Hình 10. Mặt cắt dọc đi qua tim hố móng theo 
không gian 3D 
Hình 11. Mặt cắt ngang đi qua tim hố 
móng theo không gian 3D 
Mực nước và thời gian
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720
Thời gian (giờ)
Cao độ mực nước (m)
Hình 12. Đường quan hệ MNN ở giữa hố móng theo thời gian bơm nước của hệ thống giếng 
(gồm 204 giếng) bố trí xung quanh hố móng 
Bảng 1. So sánh kết quả tính toán xác định các thông số thiết kế HMNN 
cống Hiệp Thuận – Hà Tây 
TT Thông số Đơn vị 
Theo truyền 
thống 
Theo đo đạc 
hiện trường 
Theo phầm 
mềm Modflow 
1 
Khả năng hút nước của 
một giếng q 
m3/ngđ 62,97 42,60 42,60 
2 
Chênh lệc MNN ở đáy 
hố móng và giếng S 
m 2,55 1,72 - 
3 
Độ sâu HMNN trong 
giếng S 
m 9,35 7,80 7,80 
4 Chiều sâu hạ giếng H m 13,35 12,52 13,35 
5 Bán kính ảnh hưởng R m 190,81 154,19 - 
6 Bán kính biểu kiến xo m 54,96 54,96 - 
7 
Chiều dày tầng đất nền 
áp lực Ta 
m 22,86 21,70 - 
8 
Chiều sâu tầng không 
thấm kể từ đáy giếng t 
m 9,51 9,17 - 
9 
Lưu lượng chảy vào hố 
móng Q 
m3/ngđ 4646,23 4612,15 - 
10 Số lượng giếng n cái 100,00 134,00 204,00 
11 
Khoảng cách giữa các 
giếng e 
m 4,00 3,00 2,00 
5. KẾT LUẬN 
Việc sử dụng phầm mềm Modflow trong tính toán thiết kế HMNN dựa trên cơ sở dòng 
thấm không ổn định (thay thế dòng thấm ổn định trước đây) giúp công việc tính toán nhanh, 
chính xác và trực quan hơn vì có thể mô phỏng bằng mô hình gần sát với thực tế hơn, thông 
số đầu vào đầy đủ hơn. 
Ưu việt của phần mềm: 
- Mô phỏng được đất nền gồm nhiều lớp, nhiều khu vực có địa chất khác nhau. 
- Mô phỏng được phạm vi và các điều kiện tự nhiên rất rộng đến khu vực. 
- Tính toán được không những với dòng đều, ổn định, không áp mà còn cả dòng 
thấm không đều, không ổn định, có áp và dị hướng. 
 Các thông số mô hình đầu vào và kết quả tính toán đều được thể hiện bằng hình ảnh 2D 
hoặc 3D giúp người tính toán kiểm tra, đánh giá ngay được việc làm từng bước và kết quả sau 
vài giây rất trực quan sinh động. 
 Việc sử dụng phần mềm phần mềm Modflow cho phép chỉ trong thời gian ngắn người 
thiết có thể tính toán so sánh nhiều phương án khác nhau để lựa chọn một phương án tối ưu để 
thi công được thuận lợi, an toàn và giá thành rẻ. 
6. ĐIỀU KIỆN ÁP DỤNG 
Công ty Waterloo Hydrogeologic phát triển phần mềm Visual Modflow từ năm 
1989 và đã được sử dụng ở 90 nước trên thế giới. Phiên bản VisualModflow Ver 1.0 phát 
hành vào tháng 8/1994 và trở thành mô hình chuẩn về nước dưới đất và môi trường cho 
trên 3500 người dùng ở các hãng tư vấn, cơ sở giáo dục và các tổ chức chính phủ trên toàn 
thế giới. 
Ở Việt Nam phần mềm này đã được biết đến và bước đầu ứng dụng kể từ năm 1998. 
VisualModflow là phần mềm mạnh, có đủ tính năng cần cho mô hình dòng chảy nước 
ngầm 3 chiều và di chuyển chất nhiễm bẩn. 
Phần mềm VisualModflow version 4.2.0.151 tung ra thÞ tr­êng ®Çu n¨m 2006, được các 
chuyên gia trên thế giới và ở Việt Nam đánh giá là một chương trình hoàn chỉnh nhất, đáp ứng 
khả năng mô phỏng môi trường 3 chiều của dòng chảy ngầm và dịch chuyển các chất ô nhiễm 
dưới đất. 
Việc ứng dụng phần mềm vào thiết kế hệ thống giếng HMNN phải trong điều kiện sau: 
- Có đủ tài liệu khảo sát phục vụ thiết kế mô hình. Tùy theo người thiết kế mà 
mô hình tính toán nếu mở càng rộng công tác khảo sát tương tự như kết hợp 
vẽ bản đồ địa chất và địa chất thủy văn khu vực tính toán. 
- Có thí nghiệm hiện trường để xác định lưu lượng hút nước đơn vị của các 
giếng ứng với chiều sâu hạ giếng. 
Summary: The equations of unstable and 2D seepage flow model are often applied to 
calculate well systems for decreating underground water and protecting foundation. At 
present, with the development of information technology, it is necessary to apply new models 
of the unstable and 3D seepage flow for simulating more correctly. Visual Modflow 4.2.0.151 
software could be used to obtain better effects with a higher accuracy and decrease in 
calculated duration.