Nghiên cứu hiện tượng mạch đùn, mạch sủi và biện pháp xử lý ứng dụng cho đoạn đê từ k14+600 k15+500, đê hữu sông kinh thầy, huyện nam sách tỉnh hải dương

Trong thời gian qua các sự cố liên quan tới hiện tượng mạch đùn, mạch sủi suất hiện ngày càng nhiều trên toàn Miền Bắc và gây rất nhiều thiệt hại, lấy ví dụ như: Tại Thái Bình, xuất hiện

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MẠCH ĐÙN, MẠCH SỦI 6

1.1 Khái quát chung 6

1.2 Đặc điểm địa chất nền đê khu vực có khả năng xảy ra hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 6

1.3 Hiện trạng đê điều, các sự cố và tác hại do hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 7

1.3.1 Hiện trạng đê điều nước ta hiện nay 7

1.3.2 Các sự cố và tác hại do hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 9

1.4 Các giải pháp kiểm tra, đề phòng, xử lý hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 11

1.4.1 Giải pháp kiểm tra, đề phòng hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 11

1.4.2 Các giải pháp xử lý hiện tượng mạch đùn, mạch sủi .13

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, MÔ HÌNH HIỆN TƯỢNG MẠCH ĐÙN,MẠCH SỦI.20 2.1 Giới thiệu chung, khái quát nghiên cứu thấm dưới đê 20

2.1.1 Ngoài nước 20

2.1.2 Trong nước 22

2.2 Các phương pháp tính thấm 24

2.2.1 Định luật thấm và phương trình cơ bản 24

2.2.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp giải tích 28

2.2.3 Giải bài toán thấm bằng phương pháp số 29

2.3 Cách kiểm tra hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 32

2.3.2 Kiểm tra bục tầng phủ và xói ngầm 32

2.4 Phần mềm tính toán 38

2.4.1 Giới thiệu modul SEEP/W 38

2.5 Các giải pháp xử lý 41

2.5.1 Giải pháp xử lý nền đê trước mùa lũ 41

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG THỰC TẾ CHO ĐOẠN ĐÊ TỪ K14+600 - K15+500 ĐÊ HỮU SÔNG KINH THẦY, HUYỆN NAM SÁCH, TỈNH HẢI DƯƠNG 49

3.1 Nghiên cứu thực trạng đoạn đê 49

3.2 Tính toán kiểm tra hiện trạng đoạn đê 50

3.2.1 Lựa chọn mặt cắt tính toán 50

3.2.2 Tính toán hiện trạng đê bằng phương pháp giải tích 51

3.2.3 Tính toán bằng phần mền Geo 56

3.3 So sánh, lựa chọn giải pháp xử lý 61

3.3.1 Giếng giảm áp 62

3.3.2 Đắp khối phản áp tiêu nước 62

3.3.3 Khoan phụt tạo màn chống thấm, xây tường chống thấm 62

3.3.4 Lựa chọn giải pháp 63

3.4 Tính toán cho giải pháp được lựa chọn 64

3.4.1 Mô tả giải pháp 64

3.4.2 Tính toán bằng công thức giải tích 65

3.4.3 Tính toán bằng phần mềm GEO 66

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của bề dầy tầng phủ đến khả năng xảy ra hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 67

3.5.1 Ảnh hưởng của tầng phủ đối với khả năng xảy ra hiện tượng mạch đùn, mạch sủi 67

3.5.2 Tính toán cho các trường hợp nghiên cứu 68

3.5.3 Tính toán lựa chọn giải pháp xử lý 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 83

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1: Hiện tượng mạch sủi 2

Hình 2: Xử lý mạch đùn, mạch sủi bằng giếng giảm áp 3

Hình 3: Xử lý mạch đùn, mạch sủi bằng mành tre 3

Hình 1.1 Sơ đồ xử lý mạch sủi đùn cát ở ruộng 14

Hình 1.2 Sơ đồ xử lý mạch sủi đùn cát ở ao hồ 15

Hình 1.3 Sơ đồ xử lý tập đoàn mạch sủi đùn bùn cát 16

Hình 1.4 Sơ đồ xử lý sự cố xuất hiện mạch sủi ở hạ lưu cống 17

Hình 1.5 Sơ đồ xử lý sự cố xuất hiện mạch sủi ở trong lòng cống 18

Hình 2.1: Dòng thấm trong mặt phẳng Oxz của một phân tố đất bão hòa nước hoàn toàn 26

Hình 2.2 : Minh họa mặt hàm xấp xỉ của phần tử 31

Hình 2.3: Xác định các tham số cho ma trận [C] 40

Hình 2.4: Sơ đồ bố trí sân phủ ngoài đê 41

Hình 2.5: Sơ đồ đắp khối phản áp tiêu nước 42

Hình 2.6: Giếng đào giảm áp 44

Hình 2.7: Giếng bơm giảm áp 45

Hình 2.8: Tầng lọc ngược 46

Hình 2.9: Khoan phụt tạo màn chống thấm 47

Hình 2.10: Dựng tường chống thấm 47

Hình 3.1: Mặt cắt 1 tại K14+813 51

Hình 3.2: Mặt cắt 1 tại K15+213 51

Hình 3.3: Kết quả tính toán Gradient cho TH1 57

Hình 3.4: Kết quả tính toán Gradient cho TH2 58

Hình 3.5: Kết quả tính toán Gradient cho TH3 58

Hình 3.6: Kết quả tính toán Gradient cho TH4 59

Hình 3.7: Kết quả tính toán Gradient cho TH5 60

Hình 3.8: Kết quả tính toán Gradient cho TH6 60

Hình 3.9: Kết quả tính toán Gradient cho mặt cắt 1 sử dụng giếng giảm áp 66

Hình 3.10: Kết quả tính toán Gradient cho mặt cắt 2 sử dụng giếng giảm áp 67

Hình 3.11: Mặt cắt đê cho TH1 68

Hình 3.12: Mặt cắt đê cho TH2 68

Hình 3.13: Kết quả gradien TH1 73

Hình 3.14: Kết quả gradien TH2 73

Hình 3.15: Kết quả gradien TH3 74

Hình 3.16: Kết quả gradien TH4 74

Hình 3.17: Kết quả gradien TH5 75

Hình 3.18: Kết quả gradien TH6 75

Hình 3.19: Kết quả gradien cho giải pháp đắp sân phủ TL 77

Hình 3.20: Kết quả gradien cho giải pháp bố trí cơ phản áp ở HL 78

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Đặc điểm phân vùng hệ thống đê theo khả năng phát triển các quá trình phá

huỷ thấm nền đê 37

Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả tính toán giải tích 56

Bảng 3.2: Tổng hợp kết quả tính toán bằng phần Geo 61

Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả tính toán giải tích 72

Bảng 3.4: Tổng hợp kết quả tính toán bằng phần Geo 76

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, với hệ thống sông ngòi dày đặc Từ xa xưa chúng ta đã biết tầm quan trọng của hệ thống đê điều trong việc điều tiết và sản xuất nông nghiệp Hàng năm hệ thống đê điều ở nước ta được Trung ương và địa phương quan tâm đầu tư tu bổ, nâng cấp tăng cường ổn định và loại trừ dần các trọng điểm đê điều xung yếu Tuy vậy, do tác động của thiên nhiên như sóng, gió, thủy triều, dòng chảy và các tác động trực tiếp của con người, quy mô và chất lượng công trình

đê điều luôn bị biến động theo thời gian Vì vậy khi có bão, lũ mực nước sông dâng cao, độ chênh lệch với mức nước trong đồng lớn, do đó nhiều đoạn đê xuất hiện các sự

cố mạch đùn, sủi, thẩm lậu, sạt trượt mái đê phía sông và phía đồng Các sự cố liên quan đến đê điều ảnh hưởng rất lớn đến đời sống và sản xuất Việc đảm bảo an toàn đê điều vô cùng cần thiết và cấp bách, đặc biệt trong điều kiện thời tiết diễn biến ngày càng bất thường và nguy hiểm Một trong những hiện tượng nguy hiểm và thường gặp

đó là hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

Hiện tượng khi mặt đất tự nhiên nằm trên tầng cát và áp lực đẩy ngược của nước ngầm lớn sẽ hình thành các chỗ cát bị cuốn theo nước ngầm đi lên bề mặt đất tự nhiên Hiện tượng này gọi là mạch đùn hoặc mạch sủi Mạch đùn có thể xuất hiện đơn lẻ hoặc ở nhiều chỗ, còn gọi là tập đoàn mạch sủi Với hệ thống đê điều hiện tượng mạch đùn, mạch sủi diễn ra rất bất thường, khó phát hiện và kiểm soát

Mạch đùn thường xuất hiện ở nơi mà tầng chứa nước (cát) có chiều dày lớn, nhưng tầng phủ phía trên (đất thịt) có độ bền (cơ học, thấm) tương đối cao Khi nước sông cao, những nơi có chiều dày lớp phủ nhỏ (thùng trũng, ao hồ, ) dễ bị bục tầng phủ, nước thoát ra với tốc độ lớn qua các khe nứt, hang hốc… rất nguy hiểm đối với

ổn định của đê

Mạch sủi thường xuất hiện ở những nơi mà tầng chứa nước nằm nông, phân bố ở gần chân đê hạ lưu, cách chân đê từ 0÷20m cá biệt có nơi từ 100÷200m Kích thước mạch sủi quan sát được từ vài cm tới hàng chục cm, trung bình từ 10÷20cm Nước thoát ra từ mạch sủi có tốc độ và lưu lượng tuỳ thuộc vào kích thước miệng thoát và

gradient áp lực thấm Vật liệu mang theo thường là các cát hạt nhỏ, mịn lẫn nhiều bụi Mực nước sông dâng càng cao thì các mạch sủi xuất hiện càng nhiều và thường tập trung ở các vị trí trọng điểm thành tập đoàn mạch sủi hay bãi sủi

Hình 1: Hiện tượng mạch sủi Khi biến dạng thấm phát triển mạnh, nước từ dưới đùn lên với tốc độ và lưu lượng lớn mang theo nhiều hạt cát làm rỗng nền đê, dẫn đến mặt đất bị sụt xuống và nền đê có thể bị phá vỡ một cách nhanh chóng gây nên vỡ đê Mức độ và quy mô phát triển các biến dạng thấm rất khác nhau, lưu lượng nước chảy ra có thể lôi cuốn tới hàng chục, hàng trăm mét khối cát Trong thời gian qua các sự cố liên quan tới hiện tượng mạch đùn, mạch sủi suất hiện ngày càng nhiều trên toàn Miền Bắc và gây rất nhiều thiệt hại, lấy ví dụ như: Tại Thái Bình, xuất hiện mạch sủi nước trong với đường kính 15 cm tại Km6+950 và Km7 đê tả Trà Lý (xã Bạch Đằng) Sự cố này đã được xử

lý bằng tầng lọc ngược Ba mạch sủi tại Km10+500, Km10+975, Km10+990 của đê hữu Trà Lý đi qua xã Song Lãng cũng đang được theo dõi Trên tuyến đê Hồng Hà 2,

xã Hòa Bình, có một lỗ rò nước đường kính 50 mm tại Km158+600 và đã được bắc máng để tiêu nước Tại Bắc Ninh, đã phát hiện một mạch sủi nước trong tại Km0+10 ở

đê hữu Thái Bình, cách chân đê 35 m, đường kính lỗ sủi 8 cm Tại Hà Nam đã xảy ra

sự cố đùn sủi, sụt lún ở cống và âu thuyền Tắc Giang thuộc tiểu dự án Hệ thống thủy lợi Tắc Giang, tại vị trí Km129+530 trên đê Hữu Hồng, giữa hai huyện Lý Nhân và Duy Tiên

Từ xưa tới nay ông cha ta đã có nhiều biện pháp xử lý hiện tượng mạch đùn, mạch sủi Các biện pháp truyền thống như:

- Xử lý mạch đùn, mạch sủi bằng giếng giảm áp

Hình 2: Xử lý mạch đùn, mạch sủi bằng giếng giảm áp

- Xử lý mạch đùn, mạch sủi bằng mành tre

Hình 3: Xử lý mạch đùn, mạch sủi bằng mành tre Ngày nay với các tiến bộ của khoa học công nghệ chúng ta đã có thể tính toán đưa ra nhiều biện pháp xử lý như dùng vải địa kỹ thuật, làm hệ thống giếng khoan giảm áp, lấp ao đến cao độ hạ lưu, làm giếng cọc vây

Đối với tỉnh Hải Dương đê và công trình trên đê là công trình thủy lợi chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng nhằm bảo đảm an toàn của sản xuất, đời sống trên địa bàn tỉnh và các tỉnh lân cận Trong lịch sử đã xảy ra nhiều sự cố vỡ đê, đe dọa an toàn về tính mạng và tài sản cũng như hoạt động sản xuất của nhân dân trong vùng đê bảo vệ Do

cấu tạo địa chất nền đê ở Hải Dương khá phức tạp, tồn tại tầng cát có hệ số thấm lớn

thông với sông, lớp tầng phủ phía trên bằng đất sét tương đối mỏng Vì thế khi mực

nước sông dâng cao, thường xuất hiện mạch sủi, tập đoàn mạch sủi ở nhiều

đoạn đê xung yếu, ảnh hưởng đến sự ổn định của đê Hiện tượng này còn xuất hiện

ở giếng nước sinh hoạt trong thôn xóm và những khu vực khai thác đất làm gạch

Xói ngầm đặc biệt hay xảy ra tại các cống dưới đê được xây dựng trên vị trí lòng sông

cũ, do khi thi công cống đã đào bỏ tầng phủ thấm nước yếu phía trên Đã có nhiều giải

pháp được sử dụng để ổn định nền đê như đắp ao, làm giếng giảm áp Tuy nhiên còn

gặp rất nhiều khó khăn trong việc đưa ra giải pháp xử lý nhanh và hiệu quả vấn đề này Luận văn đặt vấn đề nghiên cứu, áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật để ổn định

thấm nền đê phù hợp với điều kiện cụ thể của tỉnh Hải Dương Đây là vấn đề hết sức

quan trọng và cần thiết cho công tác quản lý đê điều của tỉnh Hải Dương nói riêng, cả

nước nói chung Đặc biệt đối huyện Nam Sách, nơi được bao bọc bởi 3 tuyến đê của

các sông lớn là: sông Thái Bình, sông Kinh Thầy, sông Lai Vu Để bảo vệ an toàn cho

các tuyến đê trong mùa mưa lũ, huyện Nam Sách đã có nhiều biện pháp cũng như tập

huấn hướng dẫn kỹ thuật xử lý giờ đầu các sự cố về đê, kè, cống như: Biện pháp xử lý

lọc ngược rút nước phòng sạt mái sau, xử lý lỗ dò, thẩm lậu, mạch đùn, mạch sủi, sạt

trượt mái đê, xử lý các sự cố cống qua đê Hướng dẫn kỹ thuật cắm cừ tre giúp cho

các xã ven đê có thêm kinh nghiệm trong việc phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố

mạch đùn, mạch sủi

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu, tính toán hiện tượng mạch đùn, mạch sủi và đưa ra giải pháp ngăn chặn từ

đó áp dụng thực tế cho đoạn đê từ K14+600 - K15+500, đê Hữu sông Kinh Thầy,

huyện Nam Sách - tỉnh Hải Dương

3 Cách tiếp cận

- Điều tra thực địa, kết hợp thu thập số liệu từ các dự án xây dựng trên tuyến đê

- Nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước, các kết quả nghiên

cứu của các đề tài, luận án đã công bố trong nước về hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

- Nghiên cứu lý thuyết: Bài toán thấm ổn định và không ổn định dưới nền đê

- Nghiên cứu trên mô hình toán: Sử dụng các phần mềm thương mại để kiểm tra

bài toán thấm nền đê, so sánh với kết quả tính lý thuyết và quan trắc hiện trường

- Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm trong phòng trên mẫu chế bị, mẫu lấy từ hiện trường và thực nghiệm hiện trường trên dây chuyền khoan phụt thực tế

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập các tài liệu liên quan đến hiện tượng mạnh đùn, mạch sủi

- Sử dụng các phần mềm để mô hình, tính toán hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

- Trao đổi với thầy hướng dẫn và chuyên gia có kinh nghiệm nhằm đánh giá và đưa ra kết quả phù hợp nhất

5 Kết quả dự kiến đạt được

- Tổng quan về hiện tượng mạch đùn, mạch sủi và biện pháp xử lý

- Thông qua kết quả tính toán mô hình đưa ra giải pháp áp dụng thực tế đảm bảo an toàn cho đê điều nước ta đặc biệt trong mùa mưa bão

C HƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MẠCH ĐÙN, MẠCH SỦI

1.1 Khái quát chung

Đê sông thường nằm trên lớp đất thịt phủ trên mặt dày 3 đến 4m, dưới đó là tầng cát dày thông với sông Mùa lũ, dòng thấm có áp trong tầng cát gây áp lực lên tầng phủ Tầng phủ thường bị phá hoại tại những điểm yếu, vị trí tầng phủ mỏng, yếu, vùng hồ

ao, chỗ có khuyết tật Từ đó nước trào lên mang theo hạt đất, cát, vật chất hữu cơ Vì vậy, biến dạng thấm nền đê phát triển theo 3 giai đoạn Đầu tiên là phá vỡ tầng phủ theo các khuyết tật mang theo các hạt bụi, tiếp theo là sự mở rộng lỗ thoát gây ra đất, cát chảy trong nền, rồi đến giai đoạn phát triển biến dạng thấm phát triển mạnh mẽ gây mạch đùn, mạch sủi

1.2 Đặc điểm địa chất nền đê khu vực có khả năng xảy ra hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

Mạch đùn thường xuất hiện ở nơi mà tầng chứa nước (cát) có chiều dày lớn, nhưng tầng phủ phía trên (đất thịt) có độ bền (cơ học, thấm) tương đối cao Khi nước sông cao, những nơi có chiều dày lớp phủ nhỏ (thùng trũng, ao hồ…) dễ bị bục tầng phủ, nước thoát ra với tốc độ lớn qua các khe nứt, hang hốc…rất nguy hiểm đối với ổn định của đê

Mạch sủi thường xuất hiện ở những nơi mà tầng chứa nước nằm nông, phân bố ở gần chân đê hạ lưu, cách chân đê từ 0÷20m các biệt có nơi từ 100÷200m Kích thước mạch sủi quan sát được từ vài cm tới hàng chục cm, trung bình từ 10÷20cm Nước thoát ra

từ mạch sủi có tốc độ và lưu lượng tùy thuộc vào kích thước miệng thoát và gradient

áp lực thấm Vật liệu mang theo là các hạt nhỏ, mịn lẫn nhiều bụi Mực nước sông dâng càng cao thì các mạch sủi xuất hiện càng nhiều và thường tập trung ở các vị trí trọng điểm thành tập đoàn mạch sủi hay bãi sủi

Khi biến dạng thấm phát triển mạnh, nước từ dưới đùn lên với tốc độ và lưu lượng lớn mang theo nhiều hạt cát làm rỗng nền đê, dẫn đến mặt đất bị sụt xuống và nền đê có thể bị phá vỡ một cách nhanh chóng gây nên vỡ đê Mức độ và quy mô phát triển các

biến dạng thấm rất khác nhau, lưu lượng nước chảy ra có thể lôi cuốn tới hàng chục, hàng trăm mét khối cát

Như vậy sự xuất hiện và mức độ nghiêm trọng của biến dạng thấm ở nền đê không chỉ phụ thuộc vào mực nước lũ mà còn có quan hệ chặt chẽ với đặc điểm cấu trúc nền đê Trong đó, sự có mặt của các lớp trầm tích hạt rời, chiều sâu, chiều dày và phạm vi phân bố của tầng chứa và tầng phủ phía trên là những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát sinh, phát triển biến dạng thấm ở nền đê Vì vậy, đánh giá mức độ trọng điểm của một đoạn đê phải gắn với việc phân loại nền đê theo quan điểm về biến dạng thấm

Các hiện tượng mạch đùn, mạch sủi như miêu tả ở trên là đặc điểm chung của hệ thống đê vùng đồng bằng sông Hồng nói chung và Hải Dương nói riêng Trong lịch

sử, mạch đùn, mạch sủi đã xảy ra tại Km123÷200 và Km146÷150 đê Hữu Hồng vào mùa lũ 2008, tại Km103÷100 đê Tả Đáy năm 2009

Tại Hải Dương các tuyến đê được đắp qua nhiều địa hình phức tạp như thùng trũng, ao sâu, làng mạc dân cư do đó cấu tạo địa chất nền đê rất phức tạp, nhiều đoạn nền đê có lớp đất yếu, xen kẹp với tầng thông nước Đặc biệt ở một số vị trí lớp cát nâng lên cách mặt đất tự nhiên phía đồng từ 2 đến 4m Ngoài ra còn có những túi bùn có bề dầy không ổn định, chiều dầy lớn nhất có thể hơn 6m Dưới nền đê lớp bùn thuộc loại rất đặc biệt, các chỉ tiêu cơ lý rất thấp Với độ dầy của lớp đất yếu là lớp bùn và lớp sét pha dẻo chảy có thể gây lún không đều cho đê Dưới tác dụng của tải trọng lớn đặc biệt là tải trọng động có thể gây ra rạn, nứt đê Tầng thông nước dầy nằm sát gần trên mặt nền đê và lớp bùn bị biến dạng dưới tác động thủy lực của nước có áp vào mùa lũ

là nguyên nhân gây ra các sự cố mạch đùn, mạch sủi ở các tuyến đê trên địa bàn tỉnh

1.3 Hiện trạng đê điều, các sự cố và tác hại do hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

1.3.1 Hiện trạng đê điều nước ta hiện nay

Việt Nam là một nước có hệ thống sông ngòi dày đặc Các khu dân cư, thành phố và

vùng nông nghiệp thường phát triển dọc theo các hệ thống sông lớn, nên thườngbbị đe dọa bởi yếu tố lũ và nguy cơ ngập lụt Hệ thống đê dọc theo các nhánh sông là giải pháp phòng chống lũ đã được ông cha ta sử dụng từ lâu đời, để bảo vệ các vùng dân cư ven sông và toàn bộ vùng châu thổ trước nguy cơ ngập lụt Trải qua quá trình phát

triển, hệ thống đê hiện nay trên cả nước là một hệ thống công trình quy mô lớn với khoảng 13.200 km đê, trong đó có khoảng 10.600 km đê sông và gần 2.600 km đê biển Các hệ thống đê sông chính với trên 2.500km đê từ cấp III đến cấp đặc biệt còn lại đê dưới cấp III và đê chưa được phân cấp Trong đó:

- Hệ thống đê Bắc bộ và bắc Trung bộ: Dài 5.620km, có nhiệm vụ bảo vệ chống lũ triệt để, bảo đảm an toàn cho vùng Đồng bằng Bắc bộ và Bắc Trung bộ

- Hệ thống đê sông, cửa sông khu vực Trung Trung bộ và Nam Trung bộ: Có tổng chiều dài 904km

- Hệ thống đê sông, bờ bao khu vực Đồng bằng sông Cửu Long: Có chiều dài 4.075km

Hầu hết các hệ thống đê điều và phòng chống lụt bão tồn tại hiện nay ở nước ta được thiết kế xây dựng dựa theo kinh nghiệm tích góp từ nhiều thế hệ và áp dụng các tiêu chuẩn an toàn phù hợp với tình hình thực tế của một vài thập kỷ trước Trong điều kiện các hình thái thời tiết và thiên tai ngày càng gia tăng do hiệu ứng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu (BĐKH), các quy luật khí tượng thủy văn lưu vực có những diễn biến bất thường so với thời điểm thiết kế, cần phải đánh giá an toàn của các hệ thống đê hiện tại ở Việt Nam

Hàng năm hệ thống đê điều ở nước ta được Trung ương và địa phương quan tâm đầu

tư tu bổ, nâng cấp tăng cường ổn định và loại trừ dần các trọng điểm đê điều xung yếu Tuy vậy, do tác động của thiên nhiên như sóng, gió, thủy triều, dòng chảy và các tác động trực tiếp của con người, quy mô và chất lượng công trình đê điều luôn bị biến động theo thời gian

Đối với các tuyến đê sông, các đoạn đê tu bổ thường xuyên đã được thiết kế theo chỉ tiêu hoàn thiện mặt cắt với cao độ đảm bảo yêu cầu chống lũ thiết kế, bề rộng mặt đê phổ thông 5m, độ dốc mái m=2 và mặt đê được gia cố đá dăm hoặc bê tông để kết hợp giao thông nên khả năng phòng chống lũ bão thiết kế Song do chiều dài đê lớn, tốc độ bào mòn xuống cấp nhanh trong khi khả năng đầu tư còn hạn chế nên vẫn còn nhiều đoạn đê còn thấp, nhỏ so với tiêu chuẩn đê thiết kế

Phân tích chất lượng hiện trạng đê của Việt Nam cho kết quả:

- 66,4% km đê ổn định đảm bảo an toàn;

- 28,0% km đê kém ổn định chưa đảm bảo an toàn;

- 5,6% km xung yếu

Do được bồi trúc qua nhiều năm nên nhìn chung chất lượng thân các tuyến đê không đồng đều, trong thân đê tiềm ẩn nhiều khiếm khuyết như xói ngầm, tổ mối, hang động vật… Vì vậy khi có bão, lũ mực nước sông dâng cao, độ chênh lệch với mức nước trong đồng lớn, do đó nhiều đoạn đê xuất hiện các sự cố mạch đùn, sủi, thẩm lậu, sạt trượt mái đê phía sông và phía đồng Nếu không phát hiện và xử lý kịp thời ngay từ giờ đầu sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng tới an toàn của đê

Sự phát triển kinh tế xã hội nhanh chóng Việt Nam trong những năm gần đây đã gián tiếp làm cho tình trạng sử dụng đất trong phạm vi bảo vệ đê, bãi sông và lòng sông ngày càng nghiêm trọng, gây ảnh hưởng không nhỏ đến an toàn đê điều và khả năng thoát lũ của các sông trên địa bàn từ trung ương đến địa phương

1.3.2 Các sự cố và tác hại do hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

Hàng năm, mỗi khi đến mùa bão lũ, các hiện tượng mạch đùn, mạch sủi ở nền các tuyến đê vùng Đồng bằng sông Hồng xảy ra rất phổ biến Trước những biến đổi phức tạp của khí hậu toàn cầu và nước biển dâng, các hiện tượng mạch đùn, mạch sủi phát sinh với quy mô lớn và trên diện rộng sẽ gây nguy cơ vỡ đê và gây hậu quả khôn lường, lâu dài về môi trường sinh thái

Nguyên nhân chính gây nên các hiện tượng này là do khi có lũ, mực nước sông lên cao, áp lực nước trong tầng chứa nước ở nền đê gia tăng vượt quá cột nước giới hạn, làm phá vỡ tầng bảo vệ

Cụ thể: khi biến dạng thấm phát triển mạnh, nước từ dưới đùn lên với tốc độ và lưu lượng lớn mang theo nhiều hạt cát làm rỗng nền đê, dẫn đến mặt đất bị sụt xuống và nền đê có thể bị phá vỡ một cách nhanh chóng gây nên vỡ đê Mức độ và quy mô phát triển các biến dạng thấm rất khác nhau, lưu lượng nước chảy ra có thể lôi cuốn

tới hàng chục, hàng trăm mét khối cát Trong thời gian qua các sự cố liên quan tới hiện tượng mạch đùn, mạch sủi suất hiện ngày càng nhiều trên toàn Miền Bắc và gây rất nhiều thiệt hại, lấy ví dụ như: Tại Thái Bình, xuất hiện mạch sủi nước trong với đường kính 15 cm tại Km6+950 và Km7 đê tả Trà Lý (xã Bạch Đằng) Sự cố này đã được xử

lý bằng tầng lọc ngược Ba mạch sủi tại Km10+500, Km10+975, Km10+990 của đê hữu Trà Lý đi qua xã Song Lãng cũng đang được theo dõi Trên tuyến đê Hồng Hà 2,

xã Hòa Bình, có một lỗ rò nước đường kính 50 mm tại Km158+600 và đã được bắc máng để tiêu nước Tại Bắc Ninh, đã phát hiện một mạch sủi nước trong tại Km0+10 ở

đê hữu Thái Bình, cách chân đê 35 m, đường kính lỗ sủi 8 cm Tại Hà Nam đã xảy ra

sự cố đùn sủi, sụt lún ở cống và âu thuyền Tắc Giang thuộc tiểu dự án Hệ thống thủy lợi Tắc Giang, tại vị trí Km129+530 trên đê Hữu Hồng, giữa hai huyện Lý Nhân và Duy Tiên

Đối với tỉnh Hải Dương theo “Báo cáo đánh giá hiện trạng đê điều tỉnh Hải Dương năm 2014” thì trên các tuyến đê của địa bàn tỉnh đã xảy ra rất nhiều sự cố mạch đùn mạch sủi như:

- Đê tả Thái Bình khi lũ vượt báo động III trên tuyến đê này thường xuất hiện sự cố đùn sủi ở các vị trí: tại K19,4 - K19,7 (Minh Tân - Nam Sách) có mạch đùn đường kính từ 5-15 cm tập trung trong phạm vi 100m2 và cách chân đê từ 50 - 70m , khu vực K25,25 - K25,6 (An Châu - Nam Sách) những năm trước khi lũ cao và kéo dài cũng xảy ra các sự cố đùn sủi

- Đê hữu Kinh Thầy là tuyến đê có địa chất nền xấu nhất trong tỉnh, trong các năm qua thường xuất hiện nhiều sự cố đùn sủi nhất là những năm lũ cao, kéo dài nhiều ngày

Lũ năm 2001 đoạn Hà Liễu (K9,9 - K10,7) khi lũ trên báo động III xuất hiện 5 mạch đùn cách chân đê từ 6-35m Năm 2002 tại K1,92 - K1,929 có 2 mạch sủi đường kính

từ 5-10cm cách chân đê 2-20m và đoạn K9,9 - K14,26 xuất hiện 17 mạch sủi đường kính từ 3-20cm cách chân đê từ 2-75m Năm 2004 xuất hiện 3 mạch đùn sủi đường kính cửa ra từ 5-15cm cách chân đê từ 20-40m đã phải xử lý bằng cách lọc ngược Đoạn K14,33 - K14,42 xuất hiện 3 mạch đùn mang cát cách chân đê 35-65m

- Đê tả Kinh Thầy lũ năm 2002 tại K12,38 xuất hiện 1 mạch sủi đường kính 5cm cách chân đê10 m

- Đê hữu Lai Vu tại K1,58 - K1,82 xuất hiện 3 mạch đùn sủi đường kính 2-3cm cách chân đê 10-15cm

- Đê tả sông Rạng: trên tuyến đê này khi lũ cao thường xuất hiện nhiều đùn sủi ở khu vực Tường Vu từ K2,70 - K3,60 mang theo nhiều bùn cát và chất hữu cơ Mùa lũ năm

2000 tại K3,42 xuất hiện 4 mạch đùn sủi đường kính 3 cm cách chân đê 40m Lũ năm

2001 tại K7,531; K14,50 xuất hiện 2 mạch sủi

- Tuyến đê tả Thái Bình khu vục Hà Đông (huyện Thanh Hà) thường xuyên xuất hiện mạch đùn sủi Năm 2000 tại đoạn K54+200-K57 xuất hiện 9 vị trí đùn sủi, năm 2001

từ K54+200-K58+300 xuất hiện 5 mạch đùn sủi Trong lịch sử tuyến đê đã bị vỡ năm

1996 do rò nước (12 lỗ rò) và đùn sủi

Do có rất nhiều tuyến đê trên địa bàn tỉnh bị đùn sủi, rò rỉ, thẩm lậu nên hàng năm Trung ương, Tỉnh đều tiến hành đầu tư kinh phí để xóa các trọng điểm về mạch đùn, mạch sủi

1.4 Các giải pháp kiểm tra, đề phòng, xử lý hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

1.4.1 G iải pháp kiểm tra, đề phòng hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

* Tuần tra, kiểm tra bảo vệ đê:

Mọi sự cố của công trình đê đều có dấu hiệu báo trước, diễn biến từ nhỏ đến lớn Nếu không được phát hiện sớm và xử lý kịp thời thì từ những hư hỏng nhỏ sẽ nhanh chóng phát triển, có thể gây ra những hiểm họa, nguy hiểm nhất dẫn đến vỡ đê Hiện tượng mạch đùn, mạch sủi cũng như vậy Nên công tác tuần tra, kiểm tra đê là rất quan trọng,

có thể phát hiện được các hiện tượng khởi đầu của mạch đùn, sủi để có những biện pháp, kỹ thuật xử lý đơn giản mà hiệu quả, không tốn công, vật liệu

* Sự cần thiết của tuần tra, kiểm tra đê

- Về nguyên tắc đê thường được xây dựng từ đất, vật liệu tại chỗ trên cơ sở có sẵn của các nguyên vật liệu tại địa phương

- Hệ thống đê hiện tại được hình thành từ lâu và đã trải qua nhiều lần tôn cao, sửa chữa, Tuy nhiên theo thời gian, sự phát triển của tiến bộ khoa học công nghệ đê dần được kè hóa phương pháp xây dựng đê thay đổi Dẫn đến trên nhiều tuyến đê có sự không đồng nhất về vật liệu làm đê và độ bền của vật liệu

- Thông qua công tác tuần tra như vậy sẽ phát hiện được các điều kiện, tình trạng bất thường của đê và những thay đổi chất lượng đê, các hiện tượng ban đầu của mạch đùn, sủi Kết quả kiểm tra đê được lưu lại như là nguồn thông tin dữ liệu quan trọng cho các công tác như: khảo sát chi tiết, sửa chữa, khắc phục sự cố

- Phát hiện sớm tìm đúng nguyên nhân để có thể xử lý đúng kỹ thuật ngay từ giờ đầu, phút đầu không để diễn biến phức tạp, gây hậu quả nghiêm trọng

* Những yêu cầu của công tác tuần tra, bảo vệ đê

- Phải tiến hành một cách thường xuyên và tỷ mỷ đặc biệt là trong mùa mưa bão

- Tất cả các điểm gần cũng như xa đê đều phải được xem xét kỹ, để phát hiện kịp thời ngay những biểu hiện đáng nghi ngờ

- Các dấu hiệu đùn, sủi dù lớn hay nhỏ, dù bình thường hay nguy hiểm đều phải được theo dõi thường xuyên Tùy mức độ nguy hiểm mà sử dụng biện pháp thích hợp, tổ chức xử lý kịp thời

- Mỗi đơn vị làm nhiệm vụ tuần tra, điếm canh đê phải được trang bị đầy đủ dụng cụ

và phương tiện cần thiết

- Chấp hành nghiêm chỉnh chế độ tuần tra bảo vệ đê đã quy định

* Phương pháp tuần tra, kiểm tra

- Phân công cụ thể, trách nhiệm rõ ràng, mỗi người phụ trách một bộ phận đê Người quan sát phát hiện đánh dấu các dấu hiệu đùn, sủi ở ngay chân đê, người quan sát ở xa chân đê Có nghi chép tình hình, sơ họa vị trí đùn, sủi vào sổ tuần tra Sau mỗi đợt tuần tra phải báo cáo đầy đủ lên cấp trên

- Dựa trên kinh nghiệm cũng như những các tài liệu địa chất, thiết kế đê để tập trung,

ưu tiên tuần tra, kiểm tra các vị trí bất lợi, có nguy cơ xảy ra đùn sủi cao Chụp ảnh các tình trạng bất thường, kết hợp với sử dụng thước đo

- Lưu giữ kết quả tuần tra, kiểm tra bao gồm cả hình ảnh, các ghi chép thông số kích thước và bản vẽ phác thảo vị trí đùn sủi

1.4.2 Các giải pháp xử lý hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

1.4.2.1 Yêu cầu chung

Khi xử lý mạch đùn, mạch sủi, bãi sủi ta cần phải đạt được:

- Giảm được áp lực thấm nước

- Nước thoát ra ngoài dễ dàng

- Đất, cát không bị xói trôi ra ngoài

1.4.2.2 Biện pháp xử lý khẩn cấp mạch đùn, mạch sủi trong mùa lũ

Hiện tượng mạch đùn, mạch sủi diễn ra rất phức tạp, tùy theo từng trường hợp cụ thể

mà chúng ta đưa ra giải pháp xử lý Các giải pháp truyền thống được áp dụng phổ biến

và mang lại hiệu quả cao như làm giếng giảm áp, sử dụng phên tre, mành tre Trong luận văn tác giả trình bày một số biện pháp, kỹ thuật xử lý ứng cứu đê, các công trình phụ trợ trên đê trong những giờ đầu khi xuất hiện hiện tượng mạch đùn, mạch sủi Các biện pháp đơn giản và được áp dụng phổ biến ngoài thực tế trong một số trường hợp

cụ thể

a Sự cố xuất hiện mạch sủi đùn cát ở ruộng

Hình 1.1 Sơ đồ xử lý mạch sủi đùn cát ở ruộng Khi gặp sự cố mạch sủi đùn cát ở ruộng (có thể ở gần hay cách xa thân đê) ta xử lý như sau: Quây lỗ sủi bằng phên tre hoặc nứa vòng trong cách vòng ngoài 20-30cm ở giữa bỏ đất thịt tạo thành giếng dâng nước có bán kính cách bờ lỗ sủi ít nhất là 50-60cm Nếu mực nước lũ cao, thành giếng lọc cần nâng cao thêm sao cho chênh lệch cột nước H càng nhỏ càng tốt Dùng nút rơm nút lỗ sủi sau đó ép tấm phên rơm lên, trường hợp sủi mạnh tốt nhất bỏ một lớp đá dăm, gạch củ đậu dày 10-15cm ép tấm phên xuống để giảm tốc độ nước lên Sau đó bắc máng dẫn nước ra xa, nước trong giếng dâng lên từ từ tiến hành bỏ lớp lọc vào giếng Kể từ dưới lên: cát thô dày 20 cm, sỏi dày 20 cm, đá dăm dày 20 cm

b Sự cố xuất hiện mạch sủi đùn cát ở ao hồ

Hình 1.2 Sơ đồ xử lý mạch sủi đùn cát ở ao hồ + Trường hợp độ sâu mực nước trong ao dưới 1m

Quây giếng chìm vòng trong có bán kính cách lỗ sủi 1-1,5m và cách vòng ngoài 30

cm Trong giếng ta sắp xếp lớp lọc từ dưới lên: bao tải cát thô 40 cm, bao tải sỏi 20

cm, bao tải đá dăm 20cm Cũng có thể dùng thùng gỗ, thùng phi thủng đáy để làm giếng lọc

+ Trường hợp độ sâu mực trong ao nước trên 1m

Ta xử lý bằng cách cắm cọc cừ cách mép sủi 1,5m đến 2m quây thành hình tròn giữa

bỏ bao tải cát thô cao 1 đến 1,5m Bịt lỗ sủi đồng thời đắp tôn cao bờ, nâng cao mực nước ao hồ Bắc máng dẫn nước đổ ra xa bờ bao (Chú ý bao tải đựng vật liệu lọc còn tốt không bị bục Khi thi công các biện pháp trên cần chú ý chỉ để nước chảy qua các lớp lọc thì mới có hiệu quả Để tránh phát sinh các mạch sủi mới không nên dẫm xéo nhiều ở khu vực xung quanh làm kết cấu đất ở đó bị phá hoại)

c Sự cố xuất hiện tập đoàn mạch sủi đùn bùn cát

Hình 1.3 Sơ đồ xử lý tập đoàn mạch sủi đùn bùn cát Khi gặp trường hợp này ta có các cách xử lý như sau:

+ Cách thứ 1: Đắp bờ cao khoanh vùng tập đoàn lỗ sủi rồi bơm nuớc để nâng cao mực nuớc trong vùng lên làm giảm chênh lệch mực nuớc thượng hạ lưu đến mức thấp nhất

+ Cách thứ 2: Kiểm tra xác định vị trí kích thước từng lỗ sủi cắm vè làm dấu, cắm cừ khoanh vùng lỗ sủi tập trung Lấy rơm rạ rải đều lên tấm phên dày 10-15cm dùng thanh tre làm nẹp buộc chặt vào tấm phên thành “tấm phên rơm rạ” sau đó trải đều lên bãi sủi (để phần rơm rạ xuống dưới) tiếp đến các lớp lọc thứ tự từ dưới lên; lớp bao tải cát, lớp bao tải sỏi, lớp bao tải đá dăm Trường hợp bãi sủi trên nền rất ít bùn và lớp bùn mỏng dưới 10cm có thể bỏ trực tiếp bao tải cát dày như trên mà không lót tấm phên rơm rạ xuống dưới

d Xuất hiện bãi sủi

Dùng hai phên tre hay nứa, ở giữa ghép một lớp rơm rạ dày 5-10cm, dùng cây tre nẹp chặt đặt phủ lên bãi sủi, sau đó rải một lớp vật liệu dê thoát nước như đá dăm, gạch vỡ hoặc bao tải cát Ngoài ra biện pháp xử lý bãi sủi bằng vải lọc Geotextile vừa nhanh vừa có hiệu quả cao Cách làm cụ thể như sau: đặt vải lọc phủ kín toàn bộ bãi sủi, rộng

quá phạm vi lỗ sủi mỗi phía chừng 1m Xung quanh lớp vải lọc dùng các bao tải đất đè giữ chặt vải lọc ép sát vào mặt đất

Khi bãi sủi ở gần đầm, ao hồ sâu cũng tiến hành xử lý như trên, nhưng phên phải đan bằng tre tươi, nẹp thật chắc bằng tre cây cách nhau từ 1,5-2 m và đặt lên khu vực bãi sủi rồi chất bao tải cát hoặc đá hộc cho chìm dần xuống đáy

Khi bãi sủi ở gần bờ ao, hồ sát chân đê cách tốt nhất là nên lấp ao, hồ Lấp cao bằng mặt ruộng , đắp lấn từ chân đê ra, chiều rộng tùy theo điều kiện cụ thể mà quyết định (nhưng không được nhỏ hơn 10m) Biện pháp này có tác dụng giải quyết được mạch đùn mạch sủi vừa có tác dụng củng cố chân đê

Chú ý: Khi thi công các biện pháp nói trên cần gia cố kỹ xung quanh để nước chỉ chảy qua các lớp lọc thì mới có hiệu quả Để tránh phát sinh các mạch sủi mới không nên dẫm xéo nhiều ở khu vực xung quanh làm kết cấu đất ở đó bị phá hoại

e Sự cố xuất hiện mạch sủi ở hạ lưu cống

Hình 1.4 Sơ đồ xử lý sự cố xuất hiện mạch sủi ở hạ lưu cống Cách sửa chữa: Nâng cao mực nuớc ở hạ lưu cống, để giảm bớt áp lực thấm, làm cho đất, cát ở nền cống không bị xói trôi

Có thể nâng cao mức nuớc ở hạ lưu bằng 2 cách sau:

+ Nếu ở kênh phía đồng có công trình điều tiết gần cống, thì đóng cống điều tiết để

nâng mực nuớc ở phía đồng

+ Nếu không có công trình điều tiết, thì đắp một đập dâng nuớc qua kênh ở phía đồng

Vị trí đập phải đủ xa để khỏi sinh ra mạch sủi mới ở hạ lưu đập, đập dâng phải cách

sân sau từ 30-100m là đủ

Để giảm khối lượng đất đắp, có thể cắm hai hàng cừ tre, lót phên rồi đổ đất vào giữa với mặt rộng từ 2-3m Chiều cao đập lấy tuỳ theo mạch sủi mạnh hay yếu Cao trình đỉnh đập phải cao hơn mực nuớc cần dâng từ 0,5-0,8m Nếu bờ kênh từ cống ra đến đập dâng nuớc còn thấp thì cần phải tôn cao bằng con trạch Chiều cao con trạch cũng phải cao hơn mực nuớc cần dâng từ 0,5-0,8m

f Sự cố xuất hiện mạch sủi ở trong lòng cống

Hình 1.5 Sơ đồ xử lý sự cố xuất hiện mạch sủi ở trong lòng cống

+ Khi lỗ sủi ở trong lòng cống thì có thể đóng bớt tấm phai bên đồng, nếu nuớc còn sủi lên mạnh thì tiến hành đắp đập dâng nuớc ở hạ lưu cống như trên

+ Khi tấm đan hay thân cống bị hỏng, nuớc chảy qua các chỗ hổng đó vào trong lòng cống để ra phía đồng, phải cấp tốc dùng bao tải, bao cói đựng đất hoành triệt cống Tuỳ theo tình hình cụ thể mà đắp hoành triệt đủ để bịt tắc dòng chảy

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, MÔ HÌNH HIỆN TƯỢNG MẠCH ĐÙN, MẠCH SỦI

2.1 Giới thiệu chung, khái quát nghiên cứu thấm dưới đê

Khi đắp đê sẽ tạo ra độ chênh cột nước thượng hạ lưu, đặc biệt trong mùa mưa lũ lớn thì sẽ xuất hiện dòng thấm qua nền đê Nước thấm qua nền sẽ gây áp lực lên đáy đê có phương thẳng góc với mặt đáy, ta gọi là áp lực thấm Áp lực đó làm giảm khả năng chống trượt của đê Nước thấm cũng có thể gây nên phản ứng hóa học, làm hoà tan chất muối trong nền và gây ra xói ngầm hoá học Nước thấm lại có thể mang đi các hạt đất rất nhỏ về hạ lưu và dẫn đến xói ngầm cơ học Hiện tượng mạch đùn, mạch sủi diễn ra là kết quả của dòng thấm dưới đáy đê Tác động của dòng thấm do lực thấm gây ra xói ngầm cơ học dưới đáy công trình (biến dạng thấm)

Các hiện tượng chảy đất, mạch đùn, mạch sủi tại chỗ dòng thấm thoát ra khi gradien thấm đạt giá trị giới hạn Jgh Do đó để tính toán, xử lý hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

ta nghiên cứu các bài toán thấm dưới nền đê

2.1.1 Ngoài nước

Về hình thức, đê cũng giống như đập đất đều có tác dụng chắn giữ nước Tuy nhiên,

do đê đắp trên nền tự nhiên, không xử lý trước khi đắp, nên mô hình thấm qua đê khác với thấm qua đập đất

Với đập đất bài toán tính thấm yêu cầu xách định các đặc trưng thấm gồm: Đường bão hòa trong thân đập, kiểm tra Gradient tại điểm ra của đường bão hòa, tổng lượng thấm Đối với đê, do có một tầng thấm nước rất dày ở dưới nền, dòng thấm tập trung đi qua vùng này cho nên có tác giả gọi là tầng thông áp Bài toán thấm yêu cầu xác định đặc trưng: Cột nước áp lực dưới đáy tầng phủ, kiểm tra Gradient tại vị trí tầng phủ mỏng (bài toán kiểm tra bục đất) và xói ngầm khi xảy ra bục đất

Để xác định áp lực thấm, trong lý thuyết cũng như thực hành các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc chế độ dòng thấm và điều kiện cụ thể

của công trình Các phương pháp tính toán thấm dưới nền công trình thủy lợi thường theo bài toán phẳng với cấu tạo nền địa chất tương đối đơn giản

Những hiểu biết đầu tiên về sự vận động của nước dưới đất phát sinh vào thế kỷ thứ 18

và liên quan tới tên tuổi của các nhà khoa học Nga như M.V.Lômôlôxôp, D.Becnoulli, Euler Trong tác phẩm nổi tiếng “Về các lớp vỏ trái đất” - 1750 Lômôlôxôp đã viết “ Nước dưới đất liên hệ chặt chẽ với đá vây quanh Nước dưới đất là dung dịch tự nhiên

ở trạng thái tuần hoàn liên tục” Chính ông đã đặt ra cơ sở đầu tiên để phát triển khoa học về sự vận động của nước dưới đất

Hiện tượng thấm của nước dưới đất trong môi trường lỗ rỗng được Darcy nghiên cứu

từ năm 1856, trên cơ sở thực nghiệm Darcy đã xác định quy luật thấm của nước trong môi trường lỗ hổng, đó là định luật thấm đường thẳng

Lý thuyết suy rộng về sự vận động của nước dưới đất xuất hiện vào đầu năm 1898, sau khi N.E.jucôvxky công bố tác phẩm “Nghiên cứu lý thuyết vận động của nước ngầm” Ông đã đưa ra khái niệm lực cản, lực khối lượng khi thấm và lần đầu tiên ông đã đưa

ra phương trình vi phân về sự vận động của nước dưới đất Chính Jucôvky đã đặt ra cơ

sở khoa học để tiếp tục phát triển lý thuyết thấm

Năm 1904 Boussinesque đã lập ra hệ phương trình vi phân không ổn định và biện pháp tuyến tính hóa phương trình

Năm 1992 N.N.Pavlôpvxky đã đề nghị dùng phương pháp điện - thủy động lực tương

tự để xác định các thông số của dòng thấm mà cho đến nay nó vẫn là một trong những phương pháp hiện đại nhất áp dụng cho bão hòa đất

Những vấn đề về lý thuyết vận động không ổn định đã được Boussinesque nghiên cứu đầu tiên (1904) Phương trình vi phân vận động không ổn định do ông thành lập cho đến ngày nay vẫn được coi là phương trình vi phân cơ bản của vận động không ổn định của nước dưới đất Ngày nay lý thuyết thấm vẫn không ngừng phát triển và được ứng dụng vào nhiều chuyên ngành khác nhau

Luận án tiến sỹ của Tô Xuân Vu [15] thực hiện năm 2002 tại trường Đại học Mỏ địa chất có tên gọi: Ảnh hưởng của đặc tính biến dạng thấm của một số trầm tích đến ổn định nền đê (lấy ví dụ một đoạn đê sông Hồng) Luận án đã được một số vấn đề sau:

- Phân chia cấu trúc nền đê Hữu Hồng - Hà Nội theo một hệ thống chặt chẽ các dấu hiệu, từ đó lập sơ đồ vùng có cấu trúc nền đê sông Hồng đoạn qua Hà Nội, làm cơ sở nghiên cứu đánh giá biến dạng thấm nền đê

- Sử dụng mô hình vật lý thấm tương tự hình học để xác định các hình thức biến dạng thấm đối với mỗi loại trầm tích ở nền đê Hữu Hồng - Hà Nội

- Bằng phương pháp giải tích bài toán phẳng đã xác định áp lực dòng thấm không ổn định dưới nền đê tương ứng với các mực nước lũ khác nhau tại những đoạn có cấu trúc nền đê nhạy cảm với biến dạng thấm, trên cơ sở đó đánh giá mức độ nguy hiểm với biến dạng thấm của đê Hữ Hồng, Hà Nội

- Phân tích hiệu quả kỹ thuật của các giải pháp xử lý biến dạng thấm đã áp dụng ở nền

đê Hữu Hồng - Hà Nội và chỉ ra điều kiện cấu trúc nền đê thích hợp với các giải pháp này Kiến nghị sử dụng tổ hợp các giải pháp xử lý biến dạng thấm đối với mỗi dạng cấu trúc nền đê Tác giả kiến nghị sử dụng tường chống thấm bằng đất - ximăng để giảm áp lực thấm hạ lưu

- Luận án Tiến sĩ của Bùi Xuân Trường [14] thực hiện năm 2009 tại trường Đại học

Mỏ - Địa chất có tên gọi: “Nghiên cứu biến dạng thấm nền hạ du sông Hồng địa phận Thái Bình và đánh giá thực nghiệm một số giải pháp xử lý”

- Luận án Tiến sĩ của Nguyễn Quốc Đạt [13] thực hiện năm 2013 tại Viện khoa học thủy lợi Việt Nam với tên gọi “Nghiên cứu giải pháp ổn định thấm nền đê cho một số đoạn trọng điểm trên địa bàn tỉnh Hà Nam”

- Bài báo của Tiến sĩ Trần Mạnh Liễu [5] đăng trên Tạp chí KHCN Xây dựng với tên gọi “Phân vùng dự báo khả năng ổn định hệ thống đê sông đồng bằng Bắc bộ trước tác động của quá trình phá huỷ thấm nền đê - lấy ví dụ cho Hà Nội”

- Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xử lý đùn sủi nền đê Sông Hồng, đoạn Mai Động - Đức Hiệp (Hưng Yên) Mô hình thấm 3 chiều đã được sử dụng để mô phỏng hiện tượng thấm nền đê với các mực nước lũ khác nhau, phương án xử lý bằng giếng giảm áp (ở hạ lưu) hoặc xử lý bằng tường Bentonite (ở thượng lưu)

* Các trường hợp tính toán gồm:

+ Trường hợp 1: Bài toán hiện trạng cho thấy khi mực nước sông đạt +8,2 thì phía hạ

lưu bắt đầu xuất hiện đùn sủi

+ Trường hợp 2: Mực nước sông ở mực nước thiết kế +10,5m

+ Trường hợp 3: Tính với phương án xử lý bằng tường hào Bentonite ở thượng lưu dài 600m (chiều dày 0,8m), tại vị trí có tầng phủ thấm nước yếu dày 6m

+ Trường hợp 4: Như trường hợp 3, nhưng tường hào dài 800m

+ Trường hợp 5: Xử lý bằng giếng phản áp với khoảng cách 30m ở hạ lưu

+ Trường hợp 6: Xử lý bằng giếng phản áp với khoảng cách 60m

* Kết quả tính toán áp lực thấm nền đê bằng phần mềm SEEP 3D trong bộ phần mềm GEO - SLOPE (Canada) cho thấy:

+ Cột nước áp lực thấm tại mặt dưới lớp 2 (lớp tầng phủ thấm nước yếu nằm phía trên tầng cát pha 3) bị tổn thất đột ngột cho trường hợp xử lý bằng giếng giảm áp (trường hợp 5), khoảng cách giữa các giếng giảm áp tăng (trường hợp 6) thì cột nước áp lực thấm tăng Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp (trường hợp 5 và trường hợp 6) cột nước áp lực vẫn nhỏ hơn cột nước giới hạn gây bục nền

+ Tính trường hợp xử lý bằng tường hào Bentonite (600m hoặc 800m) cột nước áp lực thấm cao hơn giới hạn cho phép Điều này cho thấy việc xử lý bằng tường hào Bentonite là không thích hợp, được giải thích là do hiện tượng thấm không gian quanh tường hào

* Tác gải kết luận: Giếng giảm áp là phương pháp có hiệu quả nhất để giảm áp lực thấm nền đê

2.2 C ác phương pháp tính thấm

2.2.1 Định luật thấm và phương trình cơ bản

Các bài toán về thấm là rất phức tạp, nắm vững được các kiến thức cơ bản để tính toán làm cơ sở nghiên cứu thực nghiệm Dưới đây nêu định luật thấm cũng như phương trình cơ bản, quan trọng cho việc giải các bài toán về thấm phẳng cũng như không gian

2.2.1.1 Định luật thấm

Quy luật cơ bản về sự chuyển động của dòng thấm được biểu thị bằng định luật Darcy

Từ năm 1856, Darcy đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và quan sát sự thay đổi của lưu lượng thấm qua mẫu thí nghiệm tương ứng với cột nước thay đổi, Darcy đã phát hiện ra rằng lưu lượng thấm tỷ lệ với độ dốc thuỷ lực j và quan hệ đó ngày nay được gọi là định luật thấm Darcy

q- lưu lượng thấm

A - diện tích mặt cắt ngang của dòng thấm

k - hệ số thấm

j - gradient thuỷ lực

r là hệ số xác định trạng thái chảy của dòng thấm và có giá trị trong phạm vi 1 ≤ ≤r 2

phụ thuộc vào kích thước hạt của đất (hoặc độ rỗng) và độ dốc thuỷ lực j

Khi r = 1 dòng thấm ở trạng thái chảy tầng và công thức (2-3) trở thành công thức Darcy Điều này áp dụng khi dòng thấm chảy qua môi trường đất hạt mịn như á sét, á cát, cát mịn…

Khi r = 2 dòng thấm ở trạng thái chảy rối, sức cản thuỷ lực tỷ lệ với bình phương vận tốc, thường xảy ra trong môi trường hạt thô (đá, cuội, sỏi, cát hạt thô…), có độ dốc thuỷ lực lớn (j > 0,1)

Dòng thấm trong khu vực chuyển tiếp: 1 < <r 2

2.2.1.2 Phương trình cơ bản của dòng thấm

a Các giả thiết cơ bản

Trong thực tế bài toán thấm là bài toán không gian, môi trường thấm là môi trường không đồng nhất và bất đẳng hướng, dòng thấm có thể xảy ra trong môi trường bão hoà nước hoàn toàn hoặc trong môi trường chưa bão hoà nước Bài toán thấm có thể là bài toán thấm ổn định hoặc không ổn định, phương trình dòng thấm trong điều kiện tổng quát có thể đề cập tất cả các yếu tố trên Trong chương này, một số giả thiết cơ bản được đưa ra để đơn giản hoá môi trường thấm và dòng thấm Các giả thiết đó như sau:

- Đất nền là môi trường đồng nhất đẳng hướng;

- Đất bão hoà nước hoàn toàn và nước trong lỗ rỗng không ép co được;

- Dòng thấm ổn định;

- Dòng thấm chảy tầng và tuân theo định luật Darcy;

- Trong miền thấm không có điểm tiếp nước và điểm rút nước;

- Bài toán thấm phẳng

Các giả thiết trên là cơ sở lý luận để đơn giản hoá các điều kiện của bài toán, từ đó thiết lập các phương trình tính toán để tìm ra các thông số của dòng thấm: cột nước thấm h, lưu lượng thấm, phân bố gradien và vận tốc thấm trong toàn miền thấm

b Phương trình cơ bản

Với các giả thiết đã được đề cập ở trên, xét trường hợp bài toán thấm hai chiều, miền đất nơi dòng thấm đi qua có hệ số thấm là k Để thiết lập phương trình toán mô tả dòng thấm trong miền có hình dạng bất kỳ có điều kiện biên nhất định nào đó ta áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng Xét một phân tố đất bão hoà nước hoàn toàn có kích thước dx, dy, dz theo 3 phương x,y,z với dòng thấm theo phương xz (hình 2.1) Nguyên lý bảo toàn khối lượng trong trường hợp này được thể hiện như sau:

(tổng lượng nước đi vào phân tố) – (tổng lượng nước đi ra khỏi phân tố) = 0

Hình 2.1: Dòng thấm trong mặt phẳng Oxz của một phân tố đất bão hòa nước hoàn

toàn Theo phương x-z, định luật Darcy có thể viết dưới dạng sau:

x

h k j k

Trong đó, cột nước tổng h giảm theo phương của vx và vz Thành phần của vectơ vận tốc thấm qua phân tố là vx, vz và sự thay đổi của vận tốc thấm tương ứng là z

v x

Thể tích nước thấm vào phân tố trong một đơn vị thời gian là:

∂

∂

z

v x

v x z

(2-8) Công thức (2-8) là phương trình liên tục trong bài toán phẳng

Khi xem miền thấm là miền phẳng, thế năng có thể được thể hiện qua hàm thế ϕ (x,z) với φ = −k h như (2-9)

x

h k v

2

=

∂

∂+

∂

∂

z x

ϕϕ

(2-11) Như vậy hàm thế ϕ thoả mãn phương trình vi phân Laplace

Nghiệm của phương trình này được thể hiện bằng hai họ đường, họ các đường đẳng thế (đường đẳng cột nước) và họ các đường dòng

Với các đường đẳng thế ϕ(x,y) là hằng số

Với các đường dòng Ψ(x,z) là hằng số

Đối với hàm dòng Ψ

z

h k v

0

2

2 2

2

=

∂

∂+

∂

∂

z x

ψψ

(2-14) Các đường thế và các đường dòng trực giao với nhau

Các đường thế và đường dòng có thể xác định bằng cách giải hệ phương trình (2-11)

và (2-14) ứng với điều kiện biên của miền thấm, tạo thành lưới thấm

2.2.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp giải tích

2.2.2.1 Phương pháp cơ học chất lỏng

Phương pháp này do Viện sĩ N.N Pavlôpxki khởi xướng, dùng toán học làm công cụ

để xác định những đặc trưng của dòng thấm như lưu lượng, lưu tốc, giadien, áp lực, đường bão hòa… tại bất kỳ một vị trí nào trong môi trường thấm Do khi tính toán không được nhiều vào những giả thiết cho nên phương pháp cơ học chất lỏng cho kết quả chính xác

Ưu điểm : Phương pháp cơ học chất lỏng chủ yếu có tầm quan trọng về mặt lý thuyết, trên cơ sở đó người ta có thể đưa ra các giải quyết gần đúng Ứng dụng những lời giải của cơ học chất lỏng ta có thể lập được những biểu đồ tính toán để dùng trong thực tế Nhược điểm : Phương pháp này chỉ sử dụng trong trường hợp bài toán có sơ đồ đơn giản Khi gặp những sơ đồ phức tạp ( điều kiện ban đầu và điều kiện biên phức tạp) thì cách giải này gặp nhiều khó khăn về mặt toán học và trong nhiều trường hợp gần như

bế tắc Do vậy trong thực tế thiết kế tính toán thấm, phương pháp này ứng dụng rất hạn chế

- Phương pháp tương tự điện - thủy động (ECDA) : Dùng tính tương tự giữa dòng điện và dòng thấm để giải quyết những bài toán thấm trên mô hình dòng điện

Ưu điểm: Được ứng dụng rộng rãi vì

khá tiện lợi, có thể giải quyết được những sơ đồ thấm phức tạp

Nhược điểm: Giá thành thí nghiệm cao, kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm cũng như chủ quan của người làm thí nghiệm

2.2.3 Giải bài toán thấm bằng phương pháp số

Khi nghiên cứu thấm thường dẫn đến các phương trình vi tích phân phi tuyến Phương pháp số: là phương pháp gần đúng để giải bài toán thấm từ cách đây nửa thế kỷ, tuy nhiên nó mới phát triển và ứng dụng rộng rãi trong 30 năm trở lại đây cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính Hai phương pháp chính đem lại kết quả khá chính xác là phương pháp sai phân và sau đó là phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.3.1 Giải bài toán thấm bằng phương pháp sai phân

Phương pháp sai phân là phương pháp giải gần đúng một phương trình toán học chính xác bằng cách xấp xỉ các đại lượng vi phân bằng các đại lượng sai phân Miền thấm được chia thành những ô hình chữ nhật có kích thước bằng nhau Các đại lượng vi phân được chuyển thành những đại lượng sai phân tương ứng Việc tìm nghiệm của phương trình (2-11) chuyển thành việc giải một hệ phương trình đại số tuyến tính để tìm các giá trị cột nước h tại các điểm nút Phương pháp sai phân tuy đơn giản nhưng

ít được dùng để giải các bài toán thấm có điều kiện biên phức tạp do những nhược điểm về kỹ thuật chia lưới

2.2.3.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu, cho lời giải rất chính xác đối với các bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng giao thông… đến các bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường…

* Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH

(a) Chia miền tính toán thành nhiều miền nhỏ gọi là các phần tử, các phần tử được nối với nhau bằng một số hữu hạn các điểm nút Các nút này có thể là đỉnh

của các phần tử, cũng có thể là một số điểm được quy ước trên cạnh của phần tử

- Rời rạc hóa miền xác định:

Trịnh tự tính toán của phương pháp PTHH được nghiên cứu đầy đủ trong bài toán thấm ổn định phẳng Cần phải xác định sự phân bố cột nước áp lực dưới đập, gradien thấm và tổng lưu lượng dòng thấm Ở đây cột nươc áp lực được xem là hàm chưa biết

H Mặt trơn của hàm H được xấp xỉ bằng một bộ các mảnh mặt phẳng tam giác dạng i’, j’, k’ như hình 2.2 xác định trên miền con tam giác i, j, k thuộc miền nghiên cứu trong mặt phẳng xy

Vị trí mặt phẳng trong không gian được xác định đơn trị bằng 3 điểm không năm trên một đường thẳng Hiển nhiên là để xấp xỉ hàm trơn H bằng các mảnh mặt phẳng thì các PTHH i, j, k phải là phần tử tam giác

X

Y J

K' I'

J'

Hình 2.2 : Minh họa mặt hàm xấp xỉ của phần tử

Độ sai lệch của mặt phân mảnh xấp xỉ so với mặt trơn thực tế sẽ càng lớn khi độ cong của mặt trơn càng lớn và kích thước phần tử càng lớn, từ đó rút ra quy tắc cơ

bản xây dựng lưới các phần tử là làm dày đặc lưới tại những nơi có gradien hàm cần tìm cao, chẳng hạn như các cột áp

Công cụ toán học của phuơng pháp PTHH là đảm bảo đưa ra bài toán tích phân phương trình vi phân song điều hòa về phép giải hệ thống các phương trình đại số

tuyến tính, trong đó giá trị cột áp tại các nút phần tử hiện diện như là các ẩn số

Do giới hạn lời giải của bài toán thấm dùng trên cơ sở định luật Darcy

L

H K V

H k L

(b) Phạm vi của mỗi phần tử giả thiết một dạng phân bố xác địn nào đó của hàm cần tìm Đối với bài toán thấm thì hàm xấp xỉ có thể là làm cột nước

Thường giả thiết hàm xấp xỉ là những đa thức nguyên mà hệ số này được biểu diễn qua các trị số của hàm và có thể là trị số của đạo hàm của nó tại các điểm nút của phần

tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm cận đế kết quả chính xác

Ngoài ra hàm xấp xỉ của bài toán thấm được chọn phải được đảm bảo tuân theo định luật Darcy Song để thỏa mãn chặt chẽ tất cả các yêu cầu thì sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toán giải Do đó trong thực tế người ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn đảm bảo được nghiệm đặt độ chính xác yêu cầu

(c) Dựa vào phương trình cơ bản của bài toán nghiên cứu để tìm các đại lượng khác Đối với bài toán sử dụng định luật Darcy để tìm trường lưu tốc thấm, trường gradien thấm, lưu lượng thấm, vv…

Trong thực tế, với ưu điểm của việc chia lưới phần tử một cách linh hoạt có kích thước thay đổi và hình dạng khác nhau, phương pháp phần tử hữu hạn có thể giải quyết các bài toán có mặt cắt, điều kiện biên phức tạp nên được dùng rộng rãi trong việc giải quyết bài toán thấm Hiện nay có rất nhiều phần mềm tính thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong đó có thể kể đến một số phần mềm đang được sử dụng rộng rãi như: MSeep, Geostudios, SEEP2D…

2.3 Cách kiểm tra hiện tượng mạch đùn, mạch sủi

2.3.2 Kiểm tra bục tầng phủ và xói ngầm

Phá huỷ thấm nền đê bắt đầu từ quá trình gia tăng áp lực dòng thấm phía hạ lưu đê đến

bục đất, tập trung dòng thấm qua cửa sổ bục đất, hoá lỏng- cát chảy- đùn đẩy và tập trung dòng bùn cát thoát qua cửa sổ bục đất, phá sập lớp phủ chắn nước dưới nền đê, gây ra hiện tượng đùn sủi, sập vỡ đê Như vậy, việc kiểm tra mạch đùn mạch sủi thực chất là đánh giá khả năng ổn định hệ thống đê do phá huỷ thấm nền đê, tập trung chủ

yếu vào đánh giá, dự báo khả năng chống bục đất của tầng phủ chắn nước và khả năng đùn đẩy cát của tầng thấm nước qua cửa thoát

2.3.2.1 Theo Nguyễn Quốc Đạt [13]

a Điều kiện an toàn chống bục tầng phủ

Chiều dày an toàn chống bục đất tầng phủ xác định qua công thức:

(2-18) Trong đó:

Zt - Chiều dày tầng phủ (m);

I0 - Gadient áp lực giới hạn, là tỷ số giữa trọng lượng riêng của đất với trọng lượng riêng của nước;

ha - Cột nước áp lực cho phép dưới đáy tầng phủ (m);

Fs - Hệ số an toàn, tối thiểu lấy bằng 1,5 [15]

Hiện nay chưa có cơ sở lý thuyết nào được thừa nhận rộng rãi cho việc xác định chính xác áp lực thấm giới hạn phát sinh bục đất trong đất dính (Igh) Tô Xuân Vu [15] đề nghị xác định Igh với giả thiết khối đất phá hoại ban đầu có dạng hình trụ tròn:

(2-19) Trong đó:

γđ- Khối lượng thể tích của đất phủ ở trạng thái bị đẩy nổi;

tgφ - Hệ số ma sát trong của đất;

ξ - Hệ số áp lực hông của đất;

d - Đường kính của diện tích lớp phủ bị phá vỡ ban đầu (m)

Trần Văn Tư [7] đề nghị tính chiều dày giới hạn (Ztgh) của lớp phủ như sau:

(2-20)

Trong đó: Hp - Áp lực dòng thấm tác dụng tại đáy lớp phủ tại điểm tính toán

Theo Tô Xuân Vu [15], do đất ở những vị trí khuyết tật có độ bền, độ ổn định rất thấp nên có thể xem như đất rời (lực dính C = 0) khi đó giới hạn phát sinh đùn đất có dạng rút gọn:

(2-21)

Qua điều tra thấy rằng kích thước của mạch đùn phổ biến từ 0,1 đến 0,5m và đất tại đó

có độ rỗng lớn, vì vậy tác giả kiến nghị sử dụng công thức:

Gradient thấm cho phép (Icp):

(2-23) Trong đó:

Fs - Hệ số an toàn

Tô Xuân Vu đề nghị tính Fs = 2; Igh = 1

b Điều kiện an toàn chống xói ngầm

Đối với đất rời, sử dụng kết quả nghiên cứu của Bùi Xuân Trường:

- Giới hạn xói ngầm:

(Ixgh) = 0,476 ~ 0,433 (với cát hạt bụi) (2-24) (Ixgh) = 0,510 ~ 0,453 (với cát hạt nhỏ) (2-25)

- Giới hạn cát chảy:

(Icgh) = 0,735 ~ 0,742 (với cát hạt bụi) (2-26) (Icgh) = 0,720 ~ 0,709 (với cát hạt nhỏ) (2-27)

c Xác định khoảng cách ảnh hưởng của áp lực thấm