TỔNG QUAN VỀ ĐÊ ĐIỀU VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan tình hình đê sông đồng bằng Bắc Bộ
1.1.1 Tổng quan về hệ thống đê sông đồng bằng Bắc Bộ
Việt Nam sở hữu gần 8.000 km đê, bao gồm khoảng 6.000 km đê sông và 2.000 km đê biển Trong đó, đê sông chính dài 3.000 km và có 1.000 km đê biển quan trọng.
600 kè các loại và 3.000 cống dưới đê
Hệ thống đê sông Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ có tổng chiều dài khoảng 5.200 km, trong đó đê từ cấp III đến cấp đặc biệt chiếm khoảng 2.400 km.
- Hệ thống đê sông Hồng có tổng chiều dài là 1.400 km, bao gồm:
+ Đê cấp đặc biệt (đê nội thành Hà Nội) : 37,7 km
- Hệ thống đê sông Thái Bình có chiều dài là 621,5 km gồm
Hệ thống sông Mã và sông Cả có tổng chiều dài 357,6 km, trong đó chiều dài đê thuộc hệ thống sông Mã và sông Chu là 292,2 km.
Cả, sông La là 65,4 km;
Hưng Yên là một tỉnh nằm ở trung tâm đồng bằng sông Hồng, nổi bật với hai con đê lớn: đê sông Hồng và đê sông Luộc Những công trình này là kết quả của sự nỗ lực và trí tuệ của nhiều thế hệ Đê sông Hồng, có cấp I, dài 59 Km, trong khi đê sông Luộc dài khoảng 21 Km, với bề mặt rộng từ 5 đến 6m.
1.1.2 Hiện trạng đê sông và các sự cố đã xảy ra
1.1.2.1.Hiện trạng [10] Địa hình hai ven đê dọc theo chiều dài các tuyến lúc đầu là kiểu địa hình bãi bồi trong ngoài bằng nhau, mỗi khi có lũ cao các bãi ngoài đê được phủ thêm lớp phù sa mới làm bề mặt các bãi ngoài khác được nâng cao hơn phía đồng
Bề mặt địa hình ven đê sông phía đồng đã trải qua nhiều thay đổi do tác động của con người, chủ yếu từ việc khai thác đất làm gạch và đào ao, dẫn đến sự hình thành nhiều ao, hồ, thùng đấu và đầm lầy Sự biến đổi này phụ thuộc vào chế độ dòng chảy và lượng phù sa, với một số khu vực được nâng cao và mở rộng, trong khi những nơi khác lại bị bào mòn và xói lở theo thời gian.
Như đoạn đê huyện Kim Động: xã Phú Thịnh, Mai Động (Km 109 ÷ Km110+500), xã Ngọc Thanh (Km 111+200 đến Km 115 + 500) phía đồng
Các tuyến đê truyền thống thường được xây dựng bằng phương pháp thủ công với công cụ đơn giản, dẫn đến thân đê có nhiều lỗ rỗng và tồn tại nhiều vấn đề như tổ mối, khe nứt Nền đê chưa được xử lý triệt để từ khi hình thành, khiến cho nguy cơ sạt trượt và thẩm lậu trong mùa lũ gia tăng Việc đắp đê trên nền tự nhiên mà không qua khảo sát và xử lý, đặc biệt khi có hồ, ao nằm sát chân đê, tạo điều kiện cho hiện tượng thấm qua nền, gây ra sự cố mạch sủi và xói mòn Những yếu tố này đều có thể dẫn đến nguy cơ vỡ đê trong mùa lũ.
Trong vòng 100 năm qua, hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình đã xuất hiện
Trong lịch sử, đã xảy ra 26 trận lũ lớn, chủ yếu vào tháng 8, thời điểm cao điểm của mùa mưa bão Trận lũ lớn nhất ghi nhận là vào năm 1971, khi mực nước lũ cao hơn mặt đất đồng ruộng ven đê từ 5 đến 10m Vào ngày 20/8 năm đó, mực nước sông Hồng tại Hà Nội đạt 14,3m, vượt mức báo động III tới 2,63m Năm 1945, 79 đoạn đê bị vỡ, gây ngập 260.000ha Trận lũ năm 1957 cũng ghi nhận sự cố vỡ đê tại Mai Lâm – sông Đuống.
Năm 1971, ba đoạn đê lớn gồm Cống thôn, Nhất Trai và Khê Thượng đã bị vỡ, gây ngập 200.000 ha Tiếp theo, lũ năm 1985 làm vỡ đê Biểu Thượng ở Hà Nam, năm 1986 vỡ đê Vân Môn tại Phúc Thọ - Hà Tây, và năm 1996 là sự cố vỡ đê bao Thanh Hà trên sông Thái Bình - Hải Dương Một số sự cố đáng chú ý cũng đã xảy ra đối với đoạn đê tả sông Hồng qua tỉnh Hưng Yên.
Theo tài liệu thống kê của Chi cục quản lý đê điều và phòng chống lụt bão tỉnh Hưng Yên, một số hư hỏng được thống kê như sau:
- Km 85+700 – Năm 1996 xuất hiện 3 mạch sủi cách chân đê 27m;
- Km 89+070 (Bình Minh- Khoái Châu) – Năm 1995 xuất hiện 6 mạch sủi tại mặt ruộng, kích thước bãi sủi 2x1,5m;
- Km 105+830 ÷ Km 105+880 (Nhuế Dương đê ngoài Nghi Xuyên) – Năm
1998 xuất hiện 1 mạch sủi nước trong;
- Km 111+100 – Năm 1998 mái đê phía đồng ướt sũng, phía đồng từ chân đê trở ra 5-7 m mặt đất bùng nhùng bão hòa nước;
- Km 82- Km82+500 (thị trấn Văn Giang) – Tháng 9/2001 xuất hiện cung nứt trượt sâu mái đê phía sông
- Km 90+200 (Khoái Châu) – Năm 1995 xuất hiện 2 mạch sủi tại mặt ruộng;
- Km 108+333 (Kim Động) – Năm 1996 sượt trạt mái đê phía đồng;
- Km 107+520– Năm 1995 xuất hiện 3 bãi sủi tại mặt ruộng, kích thước bãi sủi 2.5x3m;
- Km 84 ÷ Km84+20– Năm 1995 Sập tổ mối dài 6m, rộng 3m, sâu tới +8m;
- Km 111+230– Năm 1985 Lún mặt đường nhựa, thẩm lậu nước đục;
- Km 109 + 400 – Năm 1985 Sạt trượt mái đê phía đồng xuất hiện nhiều mạch sủi cách chân đê 15-40m;
- Km 108 + 900 – Năm 1995 xuất hiện và mạch sủi lớn tại mặt ruộng;
- Km 111 – Năm 1998 xuất hiện và một mạch sủi cách chân đê 42m;
- Km 113 + 630 – Năm 1985 xuất hiện và một bãi sủi lớn tại mặt ruộng
- Km 112+550 – Cách chân đê 35m có 1 bãi sủi nước đục ở ruộng lúa
1.1.3 Cấu trúc địa chất các lớp đất ở thân đê và nền đê [10]
Cấu trúc thân đê – nền dưới thân đê có đặc điểm địa chất như sau:
Thân đê được hình thành qua quá trình đắp trúc thủ công trong nhiều thời kỳ, chủ yếu bằng đất bão hòa nước Do phương pháp thủ công, thân đê có nhiều lỗ rỗng, nhưng theo thời gian, chúng dần tự cố kết Hiện nay, quá trình cố kết vẫn tiếp diễn, với độ ẩm tăng dần khi xuống sâu, chuyển từ trạng thái dẻo cứng sang dẻo mềm và cuối cùng là dẻo chảy Độ rỗng giảm, trong khi độ bão hòa tăng lên.
Nền đê có nguồn gốc từ trầm tích Đệ Tứ thuộc Thống Holoxen, bao gồm bậc dưới - giữa của Hệ tầng Hải Hưng (QIV1-2 hh) và bậc trên của Hệ tầng Thái Bình (QIV3 tb).
Trần tích hệ tầng Hải Hưng trong vùng nghiên cứu được chia thành 2 phụ hệ tầng
- Phụ hệ tầng dưới (lbQIV1-2hh1)
Trầm tích phụ hệ tầng Hải Hưng dưới chính là các thành tạo thuộc tầng Giảng
Võ trước đây có nguồn gốc từ hồ - đầm lầy, hình thành trước thời kỳ biển tiến Trong khu vực nghiên cứu, trầm tích của phụ hệ tầng này phân bố hạn chế ở phía đông nam, chủ yếu bên tả ngạn sông Hồng, với độ sâu từ 5m đến 7m, phủ trực tiếp lên trầm tích aluvi hệ tầng Vĩnh Phúc Thành phần trầm tích chủ yếu là sét, bột hữu cơ màu xám và xám đen, có nơi chứa than bùn, với chiều dày từ 2 đến 12m.
- Phụ hệ tầng giữa (mQIV1-2hh2)
Trầm tích thuộc phụ hệ tầng này có nguồn gốc từ tầng Đống Đa, chủ yếu phân bố ở phía Đông Nam với độ sâu từ 5m đến 8m Chúng có thành phần chính là sét và bột màu xám xanh, xanh lơ, xanh xám, với một ít chất hữu cơ ở đáy Độ dày của trầm tích dao động từ 0,5 đến 2m và chúng không phổ biến, hầu như không lộ ra.
- Phụ hệ tầng trên (bQIV1-2hh2)
Trầm tích có nguồn gốc từ đầm lầy sau biển tiến, thường xuất hiện ở vùng đất thấp và hiếm gặp ở khu vực địa hình cao Thành phần chính bao gồm than bùn, sét bột và mùn thực vật chưa phân hủy, có màu nâu đen và nhẹ xốp khi khô Thực vật trong trầm tích này bị mùn hóa và phân hủy kém, với độ sâu phân bố từ 0.5 đến 2 mét.
Trầm tích thuộc hệ tầng Thái Bình là những trầm tích trẻ nhất, phân bố rộng rãi trên bề mặt khu vực nghiên cứu Chúng có nguồn gốc từ sông, sông lũ, hồ đầm lầy và được phân chia thành hai phụ hệ.
+ Phụ hệ tầng dưới (a,apQ IV 3 tb 1 )
Trầm tích phụ hệ tầng dưới được chia thành 4 lớp theo sự giảm dần về kích thước hạt thứ tự từ dưới lên:
- Tập 1: gồm cuội nhỏ, sỏi, cát, lẫn ít bột, sét mầu xám nâu nhạt, nguồn gốc sông lũ, chiều dày 1 ÷ 5m;
- Tập 2: gồm cát, bột màu xám nhạt lẫn ít hữu cơ, nguồn gốc sông, chiều dày biến đổi từ 5 ÷ 30m;
- Tập 3: gồm bột, sét lẫn ít hữu cơ màu nâu, xám nhạt chứa phổ phần nước ngọt, chiều dày thay đổi từ 1 ÷ 3m Tập này cũng có nguồn gốc sông;
Các dạng phá hoại thường gặp do thấm gây ra
1.2.1 Mất ổn định mái dốc thân đê
Dưới tác động của áp lực thấm trong thân đê, đường bão hòa trong thân đê sẽ tăng cao, với điểm ra của đường bão hòa thường nằm ở vị trí trên mái phía đồng.
Hình 1.2 Sơ đồ phá hoại mất ổn định mái dốc khi mực nước lũ dâng cao
Trượt sâu mái đê phía đồng xảy ra khi mực nước lũ rút nhanh, dẫn đến dòng thấm di chuyển ngược về phía mái dốc sông Hệ quả là mái dốc phía sông có nguy cơ bị trượt, như minh họa trong hình 1.4 và hình 1.5.
Hình 1.4 Sơ đồ phá hoại khi mực nước lũ rút nhanh
Việc đắp đê tôn cao qua nhiều năm và nhiều thời kỳ đã dẫn đến sự không đồng nhất về vật liệu trong thân đê Khi mùa lũ đến, dòng thấm không tuân theo các phương trình dòng thấm thông thường, mà đi qua các điểm tiếp giáp giữa các lớp đất, tạo ra hiện tượng trượt mái đê và thấm tập trung.
Hình 1.5 Phá hoại mái đê theo mặt trượt
Đường thấm tập trung trong thân đê có thể hình thành do chuột, mối đào hang hoặc các nguyên nhân khác Khi đó, các hạt đất trong thân đê bị cuốn theo dòng thấm, dẫn đến nguy cơ phá đê nhanh chóng theo thời gian.
Tại các cống lấy nước qua đê, nơi tiếp giáp giữa công trình bê tông và đất thường xảy ra dòng thấm tập trung Nếu thiết kế và thi công không đúng cách, sẽ dẫn đến sự phá hoại tại những vị trí này.
Hình 1.7 Các dạng hang thấm tập trung
Trong mùa lũ, sự chênh lệch mực nước giữa sông và đồng ruộng rất lớn, dẫn đến hiện tượng dòng thấm từ sông vào đồng Dòng thấm này không chỉ gây ra tác động cơ học mà còn ảnh hưởng hóa học, có khả năng phá hoại nền đất.
Xói ngầm hóa học xảy ra khi thành phần muối trong đất nền bị dòng thấm hòa tan và cuốn đi, tạo ra những đường rỗng trong nền Hiện tượng này ít gặp ở nền đất, nhưng diễn ra mạnh mẽ hơn ở nền đá, đặc biệt khi có sự hiện diện của thạch cao, muối khoáng và các chất hòa tan khác.
Xói ngầm cơ học của đất là hiện tượng cuốn trôi các hạt đất nhỏ ra khỏi bề mặt hoặc bên trong khối đất thông qua các kẽ rỗng Hiện tượng này chỉ xảy ra ở các loại đất không dính, như đất cát hoặc đất á cát.
Một nghiên cứu của GS.VS Istomina V.C cho thấy xói ngầm xảy ra trong môi trường đất có hệ số không đồng nhất (Cu) về thành phần hạt.
Trong đó: d60 và d 10 – đường kính các hạt đất có hàm lượng tích lũy tương ứng là 60% và 10%
Trong đất dính, lực dính giữa các hạt ngăn cản sự phát triển của lực thấm, do đó không xảy ra xói ngầm Tuy nhiên, khi lực thấm tác động, các hạt nhỏ có thể bị cuốn trôi, tạo ra lỗ hổng trong đất nền, làm giảm sức chịu tải và gây lún không đều Nếu quá trình xói ngầm tiếp tục, có thể dẫn đến sự phá hoại công trình Ngoài ra, xói ngầm cơ học cũng có thể xảy ra tại vùng tiếp xúc giữa các lớp đất có cấu trúc và tính chất cơ lý khác nhau.
Hình 1.8 Sự cố xói ngầm
Trong một số trường hợp, xói ngầm có thể ngừng lại nhờ sự bít chặt các lỗ hổng trong quá trình thấm Hiện tượng này xảy ra khi các hạt đất bị bít lại bởi những hạt không thể lọt qua, dẫn đến việc kích thước lỗ hổng giảm đi Kết quả là, những hạt nhỏ hơn cũng không thể đi qua, và quá trình này tiếp tục phát triển, hình thành một tầng lọc tự nhiên.
1.2.2.2.Điều kiện phát sinh xói ngầm Điều kiện phát sinh và ngừng xói ngầm vô cùng phức tạp, lý luận chưa giải quyết được đầy đủ Tính toán xói ngầm có nhiều phương pháp nhưng hiện nay phương pháp tính toán bằng thực nghiệm của V.S.Ix-xto-mi-na được xem là sát thực tế hơn Ứng suất hiệu quả được xác định:
Áp lực nước lỗ rỗng, hay còn gọi là ứng suất hữu hiệu, là lực tác động từ dòng thấm trong khối đất Khi áp lực thấm có hướng đi lên, nó làm giảm ứng suất hiệu quả giữa các hạt đất Điều này xảy ra khi vận tốc thấm đủ lớn để áp lực thấm triệt tiêu hoàn toàn ứng suất hiệu quả Khi đó, sự bền kháng cắt không còn, vì ứng suất hiệu quả giữa các hạt đã giảm xuống còn bằng không.
Khi dòng thấm thoát ra ở hạ lưu công trình và cuốn đi các hạt đất, lỗ rỗng trong đất tăng lên, làm giảm lực cản của đất đối với dòng thấm Nếu hiện tượng này tiếp tục, tác dụng xói rỗng của dòng thấm sẽ mạnh mẽ hơn, dẫn đến sự phá hoại nền và có thể gây sụp đổ công trình.
Dòng thấm chảy qua lỗ rỗng của đất tạo ra lực thấm thủy động tác động lên các hạt đất Mỗi hạt đất i trong môi trường thấm chịu ảnh hưởng của lực thủy động p i từ dòng thấm xung quanh Lực thủy động tác dụng lên hạt đất trong một khối đất có thể tích V được biểu thị bằng công thức: p tđ = V p i.
Kết luận chương 1
Các sự cố do dòng thấm gây ra cho đê điều rất đa dạng, bao gồm trượt mái đê, lún không đều, hiện tượng mạch đùn, mạch sủi của tầng phủ chân đê phía đồng và rò rỉ nước mái đê phía đồng Thông qua các số liệu thống kê cụ thể và phân tích sự làm việc của đê, có thể tổng hợp những sự cố thường xảy ra này.
Áp lực thủy động của dòng thấm hình thành khi có sự chênh lệch cột nước giữa sông và đồng Điều này tạo ra các điều kiện cần thiết để ngăn chặn hiện tượng xói ngầm và đùn đất Việc hiểu rõ cơ chế này là rất quan trọng trong quản lý tài nguyên nước và bảo vệ đất đai.
Bài viết tập trung vào việc mô phỏng các trường hợp mất ổn định liên quan đến dòng thấm có áp, nhằm xác định phương hướng nghiên cứu dòng thấm dưới nền đê Tác giả đặc biệt chú trọng vào việc đánh giá ổn định thấm của đoạn đê qua huyện Kim Động (từ Km 108 đến Km 114) và đề xuất những giải pháp thích hợp để tăng cường ổn định cho đoạn đê này.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM, NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA DÕNG THẤM CÓ ÁP ĐẾN ỔN ĐỊNH ĐÊ
Phương trình vi phân của dòng thấm
Hình 2.1 minh họa sơ đồ thiết lập phương trình vi phân cho một công trình Tại điểm A, lưu tốc thấm u bao gồm thành phần nằm ngang u x và thành phần thẳng đứng u y Cột nước đo áp tại điểm A được ký hiệu là h Theo định luật Darcy, thành phần vận tốc thấm tại điểm A được xác định bởi công thức: u = kI x k h.
Xác định các yếu tố của dòng thấm
Và lưu lượng dòng thấm
Kết luận: Mục đích giải phương trình vi phân là tìm ra hàm số cột nước h(x,y)
Hàm số thế (x,y) thỏa mãn phương trình Laplace và các điều kiện biên sẽ giúp xác định (x,y) Từ đó, chúng ta có thể vẽ lưới thủy động lực học và các yếu tố thủy lực trong khu vực thấm, bao gồm Ix, I y, q, và các thông số liên quan khác.
Trong trường hợp dòng chảy phẳng và ổn định của nước ngầm qua đất đồng nhất, có một số loại biên thường gặp Mỗi loại biên này có những đặc tính riêng biệt được nêu chi tiết trong bài viết.
2.1.2.1.Biên không thấm nước (biên ngàm)
Hình 2.2 mô tả các điều kiện biên, bao gồm biên ngàm, biên cột nước và biên đường bão hòa Tại các biên không thấm nước, chất lỏng không thể thấm qua hoặc không lọt qua khe hở, dẫn đến việc thành phần vận tốc pháp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên biên đều bị triệt tiêu Khi giả định chất lỏng là không ma sát, không có giới hạn nào được áp dụng cho các phần tiếp tuyến của nó Đặt n và t lần lượt là phương pháp tuyến và tiếp tuyến, ta có thể thiết lập phương trình tại một điểm trên biên.
Một biên không thấm nước được coi là yếu tố xác định quỹ đạo của đường dòng, và bất kỳ đường dòng nào đáp ứng điều kiện biên không thấm cũng có thể được xác định tương tự Hai loại biên không thấm được minh họa trong hình 2.2a, trong đó bề mặt AB là lớp địa tầng hoặc đá có hệ số thấm không đáng kể so với lớp đất phía trên Biên không thấm nước xác định đường dòng thấp nhất, trong khi đường dòng phía trên đại diện cho đường viền đáy của cấu trúc không thấm (đoạn 1-8 trong hình 2.2a).
Dọc theo biên hồ, áp lực nước được xác định theo áp lực thủy tĩnh Tại bất kỳ điểm nào, chẳng hạn như điểm M trên biên AD của hình 2.2b, áp lực nước sẽ được tính toán cụ thể.
(2-11) (2-12) Trong đó: h 1 : Cột nước áp phía thượng lưu
: Thế lưu tốc Khi k, C và h 1 không đổi thì const
Và do đó tất cả các biên hồ, như là 01 và 8G trong hình 2.2a và AD và EB của hình 2.2b đều là đường đẳng thế
2.1.2.3 Biên của đường bão hòa (mặt thoáng, đường thấm dọc) Đường bão hòa là mặt trên của đường dòng trong miền dòng chảy Nó tách vùng bão hòa của dòng chảy khỏi phần đất mà không có dòng chảy xảy ra, như đoạn DG của hình 2.2b Sự xác định quỹ đạo của đường bão hòa là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu của dòng thấm Ngoài yêu cầu rằng đường bão hòa là đường dòng (=const), rõ ràng rằng áp suất tại mọi điểm dọc bề mặt là không đổi và bằng với áp suất khí quyển Do đó, dọc theo đường này kyconst Phương trình minh họa rằng thế lưu tốc (và cột áp toàn phần) dọc đường bão hòa thay đổi một cách tuyến tính với chiều cao cột áp.
Phương pháp giải bài toán ổn định thấm của đê
Các sự cố đê điều thường gặp bao gồm mạch đùn, mạch sủi và bùng nhùng chân đê phía đồng, chủ yếu do dòng thấm gây ra, đặc biệt là dòng thấm có áp dưới nền đê từ tầng cát thông với sông Để khắc phục tình trạng này, cần xây dựng và giải bài toán thấm có áp dưới tầng phủ, từ đó xác định các thông số thấm như lưu lượng thấm, áp lực thấm, gradien dòng thấm, và đặc biệt là áp lực thấm dưới đáy tầng phủ phía đồng.
Bài toán thấm tổng quát trong thân và nền đê có thể được chuyển hóa thành bài toán thấm trên nền 2 lớp, bao gồm tầng phủ và tầng cát thông với sông Sơ đồ minh họa cho bài toán này được trình bày trong hình 2.3.
Các ký hiệu quy ước như sau:
H – Cột nước lũ tính từ MNL đến mặt trên của tầng phủ
Chiều dài từ chân đê phía sông đến mép sông được gọi là chiều dài tầng phủ phía sông, và chiều dài này thay đổi tùy thuộc vào địa hình cụ thể của đoạn sông được tính toán.
Chiều dài tầng phủ phía đồng, ký hiệu là L3, được xác định từ chân đê đến giới hạn mà không còn tầng phủ Việc xác định L3 phụ thuộc vào địa hình, đặc biệt khi khu vực phía đồng có ao, hồ hay đầm ăn sâu xuống tầng thấm nước, điều này cần xem xét theo từng trường hợp cụ thể.
Chiều dày của tầng phủ ít thấm, thường bao gồm á sét hoặc sét, có thành phần hạt đa dạng Mặc dù hệ số thấm của các loại đất này có thể khác nhau, nhưng chúng luôn có thể được quy về một tầng với hệ số thấm K t.
Chiều dày của tầng thấm nước lớn (H2) có thể dao động từ vài mét đến hàng chục mét Lớp thấm nước chủ yếu bao gồm á cát và cát, và thường có nhiều tầng cát với thành phần hạt và hệ số thấm khác nhau Tuy nhiên, các tầng này có thể được quy về một tầng duy nhất với hệ số thấm tương đương K n.
K đ – Hệ số thấm của đất thân đê
K t – Hệ số thấm của tầng phủ
K n – Hệ số thấm của tầng thấm nước
Hệ số thấm của tầng phủ K t khác biệt rõ rệt so với hệ số thấm của tầng thấm nước K n, với tỷ số K n /K t có thể chênh lệch từ hàng chục đến hàng ngàn lần.
Hình 2.3 Sơ đồ tính toán
- Lưu lượng thấm qua tầng phủ: dq= K t I.dx =K t dx
H x (2-14) Lưu trong tầng thấm: q = K n I.H 2 = K n H 2 dx dH x
Ta được phương trình sau
Phương trình (2-17) chính là phương trình vi phân cấp hai, tuyến tính, thuần nhất
Nghiệm của (2-17) là Hx: cột nước áp lực thấm tại mặt cắt x
Tìm C 1 và C 2 dựa vào các điều kiện x = 0 thì H x = H; x = L (điểm cuối cùng phía đồng) thì H x = 0 Như vậy:
A x A x A x e e e (2-19) Thay (2-18) vào (2-19) ta được lưu lượng đến mặt cắt x q x
Trị số gradien tại chỗ ra của dòng thấm: IR H 1
(2-21) Như vậy dùng phương pháp giải tích cho phép xác định được các yếu tố của dòng thấm tại bất kỳ mặt cắt x thuộc tầng phủ phía đồng
Áp dụng vào trường hợp cụ thể tại mặt cắt K114 các thông số như sau
- Cao độ mực nước sông vào mùa lũ : +9.76
- Cao độ mặt trên tầng phủ : +2.08
- Cao độ mặt dưới tầng phủ : -0.98
- Cao độ tầng không thấm nước : -11.45
Hệ số thấm Kt=3.7x10 -5 cm/s, K n =1.2x10 -3 cm/s Ta có kết quả bảng sau:
Bảng 2.1 Kết quả tính toán các thông số của bài toán thấm
2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn
Quá trình tính toán thấm theo phương pháp PTHH được mô hình hóa bằng cách giải các phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm
Chương trình máy tính Modul SEEP/W sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán dòng thấm trong cả đới bão hòa và không bão hòa Điểm khác biệt chính giữa hai trạng thái này là hệ số thấm: trong đới bão hòa, hệ số thấm là hằng số, trong khi ở đới không bão hòa, nó thay đổi đáng kể theo áp lực nước lỗ rỗng Sự biến đổi này của hệ số thấm khi áp lực nước lỗ rỗng thay đổi khiến các phương trình trong phương pháp phần tử hữu hạn trở nên không tuyến tính.
Sự thay đổi dung lượng thể tích nước trong một đơn vị phần tử tại một điểm trong không gian được xác định bằng hiệu lưu lượng nước chảy vào và chảy ra Điều này có thể được biểu diễn qua phương trình vi phân, cho thấy mối quan hệ giữa các yếu tố như lưu lượng và vị trí trong không gian.
h: cột nước áp lực tổng cộng;
k x : hệ số thấm theo phương x
k y : hệ số thấm theo phương y
Q: lưu lượng dòng chảy biên;
m w : độ dốc của đường cong mực nước;
γ w : dung trọng của nước Ở trạng thái ổn định, lượng nước chảy vào bằng với lượng nước chảy ra và phương trình trên trở thành
Chương trình SEEP/W sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết bài toán thấm phẳng không ổn định Phương pháp này phân chia miền thấm thành các phần tử hình tam giác hoặc tứ giác, tạo nên sự tương đồng giữa chúng Quan hệ thấm giữa các phần tử chỉ xảy ra tại các nút (đỉnh của tam giác hoặc tứ giác) dưới tác động của dòng thấm tập trung Độ chính xác của bài toán tăng lên khi kích thước của các phần tử được phân chia càng nhỏ.
Hình 2.4 Sơ đồ lưới phần tử Phương trình phần tử hữu hạn được thiết lập khi có dạng:
[K] : ma trận đặc tính phần tử;
{H}: véc tơ thủy lực nút;
[M] :ma trận chứa nước của phần tử;
Trong trường hợp thấm ổn định
Sau khi xác định véc tơ thủy lực nút, có thể tính toán các thông số quan trọng như Gradient, vận tốc dòng chảy, lưu lượng dòng thấm qua mặt cắt ngang và các đặc trưng khác liên quan.
2.2.4 Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán
Phương pháp giải tích giúp xác định các yếu tố của dòng thấm tại mọi mặt cắt của tầng phủ phía sông và đồng Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là không xem xét sự thấm qua thân đê, dẫn đến việc giải có thể không chính xác.
Phương pháp phần tử hữu hạn mang lại nhiều lợi ích trong việc xác định các yếu tố dòng thấm như áp lực, gradien và lưu lượng tại bất kỳ vị trí nào trong khu vực thấm Đặc biệt, tại các khu vực nguy hiểm như chỗ ra trên mái đê hay xung quanh các chỗ trũng, phương pháp này cho phép chia nhỏ các phần tử, từ đó cung cấp thông tin chi tiết hơn về các yếu tố thấm Hơn nữa, phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp giải tích, khi không phân biệt được thấm qua thân đê và nền đê.
Sau khi phân tích ưu nhược điểm của hai phương pháp, phương pháp phần tử hữu hạn được lựa chọn để giải bài toán thấm cho đê sông Hồng tại huyện Kim Động, tỉnh Hưng Yên Phương pháp này cũng cho phép phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng mạch đùn và mạch sủi.
Tác động thủy lực của dòng thấm có áp đến ổn định đẩy bục tầng phủ [4]
Khi áp suất dưới đáy tầng phủ của dòng thấm vượt quá áp suất bão hòa trong thân đê và cao hơn mặt đất nền đê phía đồng, hiện tượng này có thể xảy ra nếu chiều dày của tầng phủ tại một số vị trí như ao, hồ, thùng đấu, giếng nước ăn hoặc hố khoan địa chất quá mỏng.
…), không đủ sức chống giữ thì có khả năng bị đẩy bục đột ngột tầng phủ
2.3.1 Phân tích tác động đẩy bục đột ngột
Miệng phễu bục đất thường có hình dạng tròn, cho thấy rằng tầng đất bị đẩy lên tạo thành một cột đất hình trụ tròn Hiện tượng này xảy ra do lực đẩy nổi thủy động của dòng thấm có áp trên nền cát Nhiều trường hợp đẩy bục đột ngột đã được ghi nhận, chẳng hạn như tại đoạn đê Đức Hợp ở K110+250, nơi có bãi sủi nước đục kèm theo cát nằm cách chân đê 13m.
Tầng phủ có chiều dày H 1 (m), có các chỉ tiêu cơ lý:
γđn – Trọng lượng riêng đẩy nổi của đất tầng phủ (kN/m 3 )
υt – Góc nội ma sát ( 0 ), C t – Lực dính đơn vị (kN/m 2 )
γ – Trọng lượng riêng của nước (kN/m 3 )
Xét một đất phân tố hình trụ tròn với chiều cao cột đất t(m), tương ứng với chiều dày của tầng phủ Mặt cắt ngang của cột đất có hình tròn với bán kính bằng một đơn vị.
h – Độ cao cột nước đo áp (m) tại điểm giữa đáy cột đất phân tố
γ.h – áp suất thủy động đẩy ngược tác dụng lên đáy phân tố (kN/m 2 )
Giả định rằng nước đã thấm ra mặt nền, chúng ta chọn tọa độ với phương trọng lực Z và phương ngang X, Y Diện tích mặt trên và mặt dưới của phân tố được tính bằng F = π.R², với R = 1 đơn vị, và chu vi của mặt trên và mặt dưới là 2πR Các lực tác động lên cột đất phân tố bao gồm nhiều yếu tố khác nhau.
π.R 2 γ.h – Lực thủy động tác động lên đáy phân tố (kN)
π.R 2 γ đn H 1 – Trọng lượng cột đất bị đẩy nổi (kN)
2.π.R.H 1 τ – Lực ma sát phân tố (kN)
τ - ứng suất tiếp mặt bên của phân tố (kN/m 2 )
K ® Đ-ờng đo áp d-ới đáy tầng phủ h
Cột đất phân tố hình tròn có R=1
Hệ số an toàn chống đẩy bục đột ngột tầng phủ được tính toán khi cột đất phân tố ở trạng thái cân bằng giới hạn (CBGH) Theo định luật C.A Coulomb, giá trị τ được xác định bằng công thức: τ gh = σ gh tgυ gh +C gh.
σ gh - ứng suất pháp mặt bên của cột đất hình trụ ở trạng thái CBGH
υ gh – Góc nội ma sát trong của đất ở trạng thái CBGH
C gh – Lực dính đơn vị ở trạng thái cân bằng giới hạn
C gh và υ gh là các chỉ số quan trọng thể hiện tính chống cắt của đất trong trạng thái CBGH Khi cột đất phân tố ở trạng thái cân bằng giới hạn và tầng phủ bão hòa nước bị phá hoại đột ngột, các chỉ tiêu như góc nội ma sát υ t và lực dính đơn vị C t sẽ được xác định thông qua thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước.
Lực ma sát trên mặt bên của phân tố khi đạt trạng thái cân bằng giới hạn bằng:
Từ phân tích nêu trên, viết phương trình cân bằng lực theo phương đứng cho cột đất phân tố ở trạng thái cân bằng giới hạn như sau:
R.γ.h = 2 H 1 (σgh.tgυgh +C gh ) + γđn H 1 R (2-26)
Nếu γ.h > γđn H 1 , véc tơ τgh cùng chiều với trục Z (phương trọng lực) và tầng phủ có thể xảy ra trạng thái cân bằng giới hạn đẩy bục
Nếu γ.h ≤ γđn H 1, thì τ gh sẽ có giá trị âm hoặc bằng không, điều này cho thấy không xảy ra trạng thái giới hạn Điều này cũng có nghĩa là tầng phủ luôn duy trì trạng thái giới hạn hoặc trạng thái cân bằng bền.
2.3.2 Phương pháp TTCBGH tính hệ số an toàn ổn định tầng phủ [7]
2.3.2.1.Hệ số an toàn ổn định tầng phủ theo khái niệm TTCBGH
Theo R.R Tsugaev, hệ số an toàn ổn định được xác định bằng tỷ lệ giữa các đặc trưng cơ lý của đất trong trạng thái thực tế và trạng thái cân bằng giới hạn (CBGH) Hệ số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá sự ổn định của đất.
Theo phương pháp này, chúng ta giảm trị số thực tế của góc ma sát và lực dính xuống trị số giới hạn để khối đất đạt trạng thái cân bằng giới hạn.
Cột đất phân tố tầng phủ chịu nén như một trục không nở hông, dẫn đến việc tính toán ứng suất pháp trung bình gh trên mặt bên của cột đất hình trụ ở độ sâu 2.
z - ứng suất pháp trung bình theo phương thẳng đứng khi không có tải trọng trên mặt đất
- Hệ số áp lực hông,
- Hệ số Poission, đn - Trọng lượng riêng đẩy nổi của đất tầng phủ
Biểu thức tính hệ số an toàn chống bục tầng phủ dưới tác động của lực đẩy nổi thủy động của dòng thấm có áp trong nền như sau [3]
2.3.3 Điều kiện không xảy ra đùn đất
Biến dạng thấm có thể xuất hiện dưới dạng xói ngầm hoặc đùn đất, nhưng tại các khu vực có tầng chứa nước với tầng phủ có hệ số thấm nhỏ, hiện tượng này chỉ phát triển khi tầng phủ bị phá vỡ và có miền thoát Do đó, để đánh giá khả năng ổn định thấm ở nền đê, cần kiểm tra điều kiện tầng phủ nhằm ngăn chặn hiện tượng đùn đất Điều kiện quan trọng để bảo vệ tầng phủ sau chân đê khỏi áp lực thủy động của dòng thấm là cần được xác định rõ ràng.
Trong đó, hệ số an toàn cho phép
Hệ số m được xác định theo tình trạng của đoạn đê:
Đoạn đê bình thường, nền đê và thân đê không có khuyết tật, m=1
Đoạn đê xung yếu, nền đê xấu và thân đê có thể xấu , m=0,85
Hệ số tổ hợp tải trọng n c theo TCVN 285-2002 được xác định như sau:
Đối với tổ hợp tải trọng cơ bản, nc =1,0
Đối với tổ hợp tải trọng đặc biệt, nc=0,9
Đối với tổ hợp tải trọng trong thời kỳ thi công và sửa chữa, nc=0,95
Với đoạn đê tả sông Hồng (đoạn từ Km108 ÷ Km114) thì [K]= 0,9 x 1,33
ÁP DỤNG KẾT QUẢ VÀO VIỆC KIỂM TRA AN TOÀN ĐÊ TẢ SÔNG HỒNG QUA HUYỆN KIM ĐỘNG, TỈNH HƢNG YÊN (KM108 ÷ KM114) 35 3.1 Hiện trạng tuyến đê nghiên cứu
Đặc điểm địa hình, địa mạo
Khu vực dự án nằm trong vùng châu thổ sông Hồng, có địa hình dốc từ Tây Bắc xuống Đông Nam và từ Tây sang Đông.
Mặt đê có chiều rộng trung bình khoảng 6m và độ cao trung bình từ 9.0m đến 13.3m Thềm sông có độ cao trung bình từ +5.14m đến +9.47m, trong khi những đầm trũng có độ cao trung bình từ +3.5m đến +4.50m Khu vực nhà dân thường cao hơn 1.0m, và chiều rộng đoạn thềm sông của đoạn đê này dao động từ 300m đến 500m, với một số chỗ rộng hơn 700m.
Trong khu vực khảo sát, có nhiều nhà dân nằm cách chân đê từ 50m đến 100m, cùng với nhiều ao, hồ, đầm có cao trình +2.0m cách chân đê khoảng 20m đến 40m và kéo dài gần bờ sông Bên trong đê, dân cư sinh sống cách chân đê từ 20m đến 40m với độ cao trung bình từ 4.50m đến 5.50m, và có rất nhiều ao, hồ, đầm với cao trình trung bình +2.50m Mặt đất tự nhiên trong đồng có cao trình trung bình từ +2.50m đến +4.00m.
Đặc điểm thủy văn và địa chất thủy văn
Sông Hồng chảy qua tỉnh Hưng Yên có độ dốc đáy trung bình từ 0.05 đến 0.08m/km, với chiều dài khoảng 50 km và độ sâu dòng chảy trung bình khoảng 7.2m Mặt cắt ướt của sông rộng từ 650 đến 900m, trong khi tốc độ dòng chảy vào mùa lũ đạt khoảng 20m/s Mực nước lớn nhất trong sông vào mùa mưa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là lượng mưa từ thượng nguồn Trung Quốc và sự điều tiết của các đập chắn nước Từ năm 1985, do ảnh hưởng của đập thủy điện Hòa Bình, mực nước trên hệ thống sông Hồng có xu hướng giảm vào mùa mưa và tăng lên vào mùa khô.
Trong quá trình khảo sát, tất cả các hố khoan đều ghi nhận sự xuất hiện của mực nước ngầm, với độ sâu ổn định từ 3.0 đến 7.0 mét so với mặt đất.
Mực nước thiết kế cho các tuyến đê tại tỉnh Hưng Yên được xác định theo quyết định số 619/QĐ-PCLB ngày 09/8/2002 của Bộ trưởng Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn, như được nêu trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Cao trình mực nước thiết kế đê
TT Trạm thủy văn Vị trí MNTK (m)
Đặc điểm địa chất công trình
Số liệu địa chất các lớp được cho trong Bảng 3.2
Bảng 3.2 Số liệu địa chất các lớp đất (Km 111÷ Km114)
STT Tên chỉ tiêu Ký hiệu Đơn vị
3 Khối lượng thể tích tự nhiên g w g/cm 3 1.9 1.87 1.83 1.82 1.91
4 Khối lượng thể tích khô g c g/cm 3 1.45 1.39 1.34 1.33 1.49
6 Hệ số rỗng tự nhiên n % 0.88 0.963 1.024 1.04 0.797
13 Lực dính kết C KG/cm 2 0.19 0.18 0.17 0.2 0.04
14 Góc ma sát trong (độ): 14 o 49' 12 o 32' 07 o 43' 06 o 38' 18 o 27'
15 Hệ số nén lún a 1-2 cm 2 /KG 0.029 0.031 0.036 0.038 0.035
17 Modul biến dạng Eo KG/cm 2 100 99 69 65 76 180
18 Sức chịu tải qui ước Ro KG/cm 3 1.4 1.19 0.96 0.98 0.85 1.5
19 Giá trị SPT N value Búa 10 6 5 5 9 11
20 Góc nghỉ ma sát khi ướt 22 o 53'
21 Góc nghỉ ma sát khi khô 33 o 22'
Đặc điểm cấu trúc địa chất nền đê
Theo báo cáo khảo sát địa chất công trình và địa hình cho dự án “Củng cố, nâng cấp đê tả sông Hồng đoạn từ Km76+894 đến Km124+824” của Công ty cổ phần tư vấn và Xây dựng dân dụng và công nghiệp Ninh Bình năm 2009, tác giả đã chia thành 3 khu vực nghiên cứu, mỗi khu vực có đặc điểm địa hình và địa chất riêng biệt.
Khu vực I có các trầm tích với hệ số thấm nhỏ nằm ở phía đồng, có chiều dày từ 0,5 đến 1,2m Áp lực thấm trong khu vực này có thể dễ dàng phá vỡ các vị trí yếu trong lớp phủ Lòng sông ở đoạn này áp sát chân đê, cách khoảng 150-250m Khu vực I cũng có mật độ dân cư tương đối dày đặc, trong khi sân phủ phía sông và phía đồng bị phá hủy nghiêm trọng do hoạt động của con người như đào ao nuôi cá và khai thác đất để sản xuất gạch.
Khu vực II có độ dày lớp phủ đất từ 1,5 đến 2 mét, chủ yếu là các ruộng trồng màu, bao gồm ruộng trũng trồng rau muống và những khu vực gần nghĩa địa.
Trong khu vực III các trầm tích có hệ số thấm nhỏ có chiều dày lớn hơn 3m Khu vực này qua vườn canh tác của nhân dân
3.1.5 Mặt cắt ngang đặc trƣng của đoạn đê tả sông Hồng (Km108 ÷ Km114)
Các vị trí trên tuyến đê có các dạng mặt cắt khác nhau, nhưng có thể xác định mặt cắt điển hình của đê với hình dạng cụ thể.
- Thân đê chịu tác dụng cột nước trong mùa lũ, chiều rộng đáy đê B;
- Mực nước sông mùa lũ ngập trên bãi bồi (MNL);
- Mái đê phía sông m12, phía đồng m23;
- Địa chất nền đê được tổng hợp thành 02 lớp:
Lớp phủ phía trên có hệ số thấm K t nhỏ hơn K n của lớp dưới, được gọi là lớp phủ ít thấm với chiều dày từ 1 đến 10m Thành phần của lớp này thường là á sét, có thể có sự biến đổi về kích thước hạt Theo thành phần hạt, lớp này có thể được chia thành 2 đến 3 lớp nhỏ trong tổng chiều dày H1 Dựa vào mức độ thấm, các lớp nhỏ này có thể được kết hợp thành một lớp duy nhất với chiều dày H1 = h1C + h2 + h2C và hệ số thấm tương đương K t 1.
Dưới lớp phủ ít thấm, có lớp thấm nước với hệ số thấm K n (K n >> K t), được gọi là lớp thấm nước, có chiều dày từ 10 đến 30m, chủ yếu là cát loại á cát và cát Thành phần của lớp này thay đổi đáng kể và có thể chia thành nhiều lớp nhỏ dựa trên thành phần hạt Tuy nhiên, xét về mực độ thấm, các lớp này có thể được xếp chung vào một loại với chiều dày H2 = h3 + h4 và hệ số thấm tương đương K n.
- Ở phía sông: Chiều dài lớp phủ là L 1 ;
- Ở phía đồng: Chiều dài lớp phủ là L 3
Tầng phủ ít thấm n-ớc
Lớp thấm n-ớc, hệ số thấm
Tầng đất sét không thấm
Hình 3.1 Mặt cắt ngang đặc trưng của đê
Hình 3.2 Sơ đồ tính toán
- Lớp 1: đất đắp thân đê, chiều cao từ 4,5 ÷ 5,5m
- Lớp 2: lớp phủ có hệ số thấm nhỏ, chiều dày từ 1 ÷ 9m
- Lớp 3: lớp cát có chiều dày từ 10 ÷ 30m
- Hệ số an toàn đẩy bục tầng phủ: [K]=1,33
3.2.2 Các đặc trƣng thấm của đất dùng cho tính toán
Các giá trị đặc trưng thấm cho từng lớp như sau:
- Lớp đất đắp đê: Đất sét pha màu xám nâu, nâu gụ, trạng thái dẻo cứng, kết cấu chặt vừa, hệ số thấm Kđ=1x10 -5 cm/s
Tầng phủ có hệ số thấm thấp, với sét và sét pha có độ dày khác nhau theo từng khu vực Hệ số thấm K t đạt 2x10 -5 cm/s, lực dính kết C t là 0,15 daN/cm2, và góc ma sát trong là t 0.
- Tầng thấm nước: cát hạt mịn, hạt trung ở các trạng thái khác nhau, hệ số thấm dao động K n =3,2x10 -3 ÷10 -2 cm/s
Bảng 3.3 Bảng số liệu các trường hợp tính toán
T.H.T.T mực nước TL Đỉnh tầng phủ mực nước HL H (m) H1 (m)
Kết quả tính toán được trình bày trong Phụ lục từ hình 5.1 đến hình 5.18
Kết quả tính toán K at tại mặt cắt trong các trường hợp được trình bày trong các bảng từ 3.4 đến bảng 3.10
Bảng 3.4 Bảng kiểm tra ổn định thấm trường hợp H 1 =1m
Thông số đặc trưng Khoảng cách tính từ chân đê x 0 5 15 35 55 65
Bảng 3.5 Bảng kiểm tra ổn định thấm trường hợp H 1 =1.5m
Thông số đặc trưng Khoảng cách tính từ chân đê x 0 5 15 35 55 65
Bảng 3.6 Bảng kiểm tra ổn định thấm trường hợp H 1 =2m
Thông số đặc trưng Khoảng cách tính từ chân đê x 0 5 15 35 55 65
Bảng 3.7 Bảng kiểm tra ổn định thấm trường hợp H 1 =2.2m
Thông số đặc trưng Khoảng cách tính từ chân đê x 0 5 15 35 55 65
Bảng 3.8 Bảng kiểm tra ổn định thấm trường hợp H1=2.5m
Thông số đặc trưng Khoảng cách tính từ chân đê x 0 5 15 35 55 65
Bảng 3.9 Bảng kiểm tra ổn định thấm trường hợp H 1 =3m
Thông số đặc trưng Khoảng cách tính từ chân đê x 0 5 15 35 55 65
Bảng 3.10 Bảng kiểm tra ổn định thấm trường hợp H 1 =5m
Thông số đặc trưng Khoảng cách tính từ chân đê x 0 5 15 35 55 65
Hình 3.3 Biến đổi hệ số an toàn đẩy bục tầng phủ phía trong đê
3.4 Nhận xét và đánh giá
Từ kết quả tính ổn định thấm đối với 6 trường hợp đặc trưng cho 3 khu vực Tác giả có nhận xét
Khu vực I, II có chiều dày tầng phủ nhỏ
- Với H 1 =1m thì có khả năng xảy ra đẩy bục tầng phủ phía đồng vị trí có tọa độ xu đến vị trí có tọa độ x0 vì K at < [K] = 1.33
- Với H1=1.5m xảy ra đẩy bục tầng phủ phía đồng trong phạm vi 50m từ chân đê
- Với H 1 =2m xảy ra đẩy bục tầng phủ phía đồng trong phạm vi 20m từ chân đê
- Với H1=2.2m thì không xảy ra đẩy bục tầng phủ phía đồng Đây có thể coi là ngưỡng an toàn
- Khu vực III do có chiều dày tầng phủ tương đối lớn, nên không xảy ra biến dạng thấm cho nền ở đoạn đê này
Từ kết quả nghiên cứu ở trên, tác giả có đề xuất với đơn vị tư vấn lập dự án
Cần thực hiện các biện pháp xử lý thích hợp để tăng cường ổn định cho đoạn đê tả sông Hồng, đặc biệt là những đoạn có chiều dày tầng phủ mỏng (H1