Trong nghiên cứu này, mối quan hệ toán học giữa các yếu tố thủy lực, công trình, đất nền đã được thiết lập dựa trên phương pháp phân tích thứ nguyên. Trên cơ sở đó, một mô hình thí nghiệm đã được thiết kế để thực hiện các sê ri thí nghiệm với các điều kiện khác nhau.
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THI ẾT LẬP MƠ HÌNH THÍ NGHI ỆM NGHIÊN CỨU HI ỆN TƯỢNG XÓI NGẦM DƯỚI ĐÁY CỐNG QUA ĐÊ TRÊN NỀN CÁT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP Đinh Xuân Trọng Viện Thủy công - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Tóm tắt: Trong thời gian qua xảy nhiều cố cống đê cát xói ngầm phần lớn cố xảy cống có gia cố cọc bê tơng cốt thép Để phân tích tượng thấm đáy cống qua đê cát có xét đến trạng thái ứng suất có khơng có cọc bê tơng cốt thép, nghiên cứu này, mối quan hệ toán học yếu tố thủy lực, cơng trình, đất thiết lập dựa phương pháp phân tích thứ nguyên Trên sở đó, mơ hình thí nghiệm thiết kế để thực sê ri thí nghiệm với điều kiện khác Kết nghiên cứu thực nghiệm giúp thu liệu cần thiết phục vụ cơng tác thiết kế, cảnh báo an tồn Từ khóa:Cống đê, mơ hình thí nghiệm, xói ngầm, cát, cọc bê tông cốt thép, trạng thái ứng suất Abstract:There were many incidents of under-dike culverts on sand foundation due to internal erosion issues recently; and most of the incidents occurred at those culverts with the foundation supported by reinforced concrete piles With the aim to analyze seepage in the foundation under the culverts in consideration of stress state in cases with or without reinforced concrete piles, in this study, a mathematical relationship among factors of the hydraulic dynamics, structures, and soil is established based on the dimensional analysis method On this basis, a physical experiment model is designed to perform a series of tests with different conditions The experimental results will help to obtain the necessary data for design and safety warnings Keywords:Under-dike culvert, expermental model, internal erosion, sand foundation, reinforced concrete piles, stress state ĐẶT VẤN ĐỀ* tỉnh đồng sông Hồng - Thanh Hóa Cống đê hạng mục quan trọng hệ thống đê đồng sông Hồng Cống gồm nhiều kiểu, nhiều loại khác đảm bảo nhiệm vụ tưới, tiêu, lấy phù sa, ngăn triều, ngăn lũ Trong thời gian qua, hàng loạt cố xảy cống đê cống M Trang, Vĩnh M ộ, cống Nhân Hiền, cống A27, cống Văn Trai (Hà Nội), cống Tắc Giang (Hà Nam), v.v gần nhất, trận bão số 11 năm 2017, xảy 19 cố cống đê Các kết điều tra [1] rằng, 25% cố cống đê liên quan đến vấn đề thấm phần lớn cố xảy cống có gia cố cọc bê tơng cốt thép Điều cho thấy, tác dụng gia tăng sức chịu tải giữ độ lún cơng trình phạm vi cho phép, hệ thống cọc đáy cống có ảnh hưởng khơng nhỏ đến diễn biến thấm cống, đặc biệt cát nhạy cảm thấm, thông qua thay đổi trạng thái ứng suất độ rỗng đất Để làm sáng tỏ vấn đề này, cần thiết phải có nghiên cứu mơ hình vật lý với điều kiện thủy lực, trạng thái ứng suất, đất nền, Ngày nhận bài: 10/5/2018 Ngày thông qua phản biện: 29/6/2018 Ngày duyệt đăng: 12/7/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ v.v… khác Bài viết trình bày kết nghiên cứu, thiết lập phương trình thực nghiệm mơ hình vật lý để nghiên cứu tượng thấm đáy cống qua đê cát có xét đến trạng thái ứng suất σ1 σ3 có khơng có cọc bê tơng cốt thép NỘI DUNG, MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ C ÁCH TIẾP CẬN 2.1 Nội dung nghiên cứu Lập phương trình nghiên cứu thực nghiệm; Thiết lập sê ri thí nghiệm; Thiết kế mơ hình thí nghiệm 2.2 Mục tiêu nghiên cứu Xác định giới hạn bắt đầu xói ngầm diễn biến q trình xói ngầm đất cát điều kiện ứng suất, thủy lực khác thơng qua khối lượng đất bị xói theo thời gian 2.3 Cách tiếp cận Hiện nay, có ba cách tiếp cận để nhận diện thời điểm bắt đầu xói ngầm, D M arot et al (2014) [2]: (1) Qua thay đổi gradient thủy lực; (2) Từ gia tăng hệ số thấm; (3) Dựa vào độ đục dịng thấm khỏi mẫu thí nghiệm Trong nghiên cứu này, cách tiếp cận thứ ba, dựa độ đục dòng thấm khối lượng đất dịng thấm mang theo khỏi mẫu thí nghiệm, lựa chọn để phân tích tượng xói ngầm cho cơng trình cống đê THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Xói ngầm liên quan đến dịch chuyển hạt mịn khỏi kết cấu đất hạt thơ tác dụng dịng thấm Sự dịch chuyển làm cho độ rỗng đất tăng lên, tạo nên tập trung dòng chảy nhiều trường hợp, ống xói hình thành gây an tồn cho cơng trình Đã có nhiều nghiên cứu khởi đầu trình xói ngầm dựa thí nghiệm thấm lên xuống hướng Sự khởi đầu diễn biến q trình xói ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tỷ lệ hạt mịn hạt thô (Honjo cộng sự, 1996; Terzaghi, 1939), phân bố kích thước hạt (Kézdi, 1979; Kenney Lau, 1985; Li Fannin, 2008; Wan Fell, 2008; Indraratna cộng sự, 2011; Chang Zhang, 2013; M oraci cộng sự, 2014), hình dạng hạt (M arot cộng sự, 2012; Li, 2008), độ rỗng đất (Li, 2008), ứng suất giới hạn (Bendahmane cộng sự, 2008; M offat Fannin, 2011), gradient thủy lực (Skempton Brogan, 1994; Sterpi, 2003), vận tốc dịng chảy (Perzlmaier cộng sự, 2007), góc thấm (Richards Reddy, 2012, 2014) Trong nghiên cứu mình, Istomina (1957), rằng, hệ số đồng đất, Cu, sử dụng số đặc trưng cho ổn định bên đất Theo Tơ Xn Vu (2002), xói ngầm chủ yếu phát triển đất rời, phụ thuộc vào mức độ không hạt gradient thấm Về ảnh hưởng trạng thái ứng suất đến xói ngầm, nghiên cứu Terzaghi thay đổi ứng suất hiệu gây xếp lại hạt kết cấu đất qua đó, ảnh hưởng đến q trình xói ngầm Trong đó, Fell Fry (2013) cho rằng, ngồi hình dạng đường cong thành phần hạt gradient thủy lực, trạng thái ứng suất điều kiện hình thành xói ngầm; Garner Famin (2010) đề xuất ba điều kiện gây nên tượng xói ngầm tính nhậy xói đất, gradient thủy lực trạng thái ứng suất tới hạn [2] Các thí nghiệm Bendahmane cộng (2008) cho thấy, tốc độ xói ngầm đất sét pha tăng gấp đơi ứng suất giới hạn giảm từ 150 đến 100 kPa Qua nghiên cứu xói ngầm cho 04 loại đất, M offat Fannin (2011) kết luận gradient thủy lực cục tăng lên tăng ứng suất Kết nghiên cứu Luo cộng (2013) chứng minh gradient thủy lực có mối quan hệ tuyến tính đến ứng suất giới hạn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC Các tác động chủ yếu cọc gia cố (cọc bê tông cốt thép) làm chặt thay đổi ứng suất xung quanh cọc q trình đóng cọc Các tác động phụ thuộc vào độ chặt tương đối cát, khoảng cách cọc hình thức, kích thước cọc [3] Bằng kỹ thuật chụp X quang, Robinsky M orrison (1964) nghiên cứu dịch chuyển làm chặt cát xung quanh cọc Năm 2003, Kobayashi Fukagawa sử dụng kỹ thuật tia X để mô tả di chuyển đất xung quanh cọc trình đóng đưa kết luận chuyển dịch bị ảnh hưởng độ chặt ban đầu cát White Bolton (2004) cho dịch chuyển đất xung quanh cọc chủ yếu theo phương đứng, dịch chuyển theo phương ngang giảm dần tới khoảng cách 5D (D đường kính cọc) tính từ tim cọc Từ phân tích trên, với mục đích, phạm vi nghiên cứu, đại lượng vật lý ảnh hưởng đến xói ngầm cống qua đê có gia cố cọc bê tông cốt thép giới hạn Bảng Bảng Các đại lượng nghiên cứu Đại lượng Ký Thứ hiệu nguyên Độ nhớt nước [ML-1T-1] Gia g [LT-2] tốc trọng trường Gradient thủy lực J Lưu lượng thấm q [L2T-1] 1 [ML-1T-2] 3 [ML-1T-2] đ [ML-3] đơn vị Ứng suất thẳng đứng Áp lực hông Khối lượng riêng đất Hệ số thấm CÔNG NGHỆ kđ [LT-1] đất Độ rỗng đất nđ Hệ số không Cuđ hạt Tốc độ xói đất mx [ML-3T-1] Trong Bảng 1, tốc độ xói đại lượng đặc trưng cho khả xói đất, biểu thị khối lượng đất bị rời khỏi vị trí ban đầu đơn vị thể tích, đơn vị thời gian Độ chênh cột nước thượng hạ lưu ΔH [L] chiều dài đường viền thấm Lt [L] khơng xét đến chúng thể qua gradient thấm i: i H Lt (1) Ứng suất thẳng đứng 1 bao gồm trọng lượng toàn cơng trình trọng lượng thân đất nền; Yếu tố cọc gia cố xem xét với yếu tố ứng suất độ rỗng đất; Yếu tố kích thước hạt xem xét thông qua hệ số không hạt Cuđ [không thứ nguyên]; Cuđ d60 d10 (2) đó: d60 đường kính hạt, hạt có đường kính nhỏ chiếm 60% khối lượng; d10 đường kính hạt, hạt có đường kính nhỏ chiếm 10% khối lượng Ứng dụng lý thuyết Buckingham [4] để thiết lập phương trình thể mối liên hệ yếu tố với n = 11 đại lượng biến đổi sau: f mx , , đ , , , k đ , q, g , i , Cuđ , nđ (3) Chọn 03 đại lượng chứa thứ nguyên [M , L, T] đ [M L-3], kđ [LT -1], mx [M L3 -1 T ]; phiếm hàm (3) viết lại sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ f , , , , , , , (4) ứng suất, chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, chiều dài đường viền thấm, hệ số không hạt, độ rỗng đất Trong đó: đx1 k đy1 mxz1 x y z đ kđ mx x3 k y3 m z3 đ đ x x4 y4 z đ kđ mx q x5 y5 z5 đ k đ mx g i ; Cuđ ; nđ XÁC ĐỊNH KỊCH BẢN THÍ NGHIỆM (5) Cân số mũ (5), xác định được: 3 1 ; ; 2 đ k đ2 đ k đ m x m x q ; 2 ; đ k đ đ k đ2 g đ ; i; k đ m x C ; n uđ đ (6) (7) hay k f , Re, mx đ , i, Cuđ , nđ g. đ 1 Từ phương trình (9), thiết lập chuỗi thí nghiệm nghiên cứu sau: Vật liệu thí nghiệm lấy thực tế có trạng thái tự nhiên tương đương với trạng thái tự nhiên; Thí nghiệm xác định tiêu lý mẫu đất thí nghiệm như: Cuđ, nđ, kđ, ρđ; Phiếm hàm (6) viết lại sau: f , , , , , 1 Phương trình (9) sử dụng để xác định chuỗi thí nghiệm xác định yếu tố tác động đến đại lượng nghiên cứu thực nghiệm Với thiết lập phương trình này, số đại lượng nghiên cứu giảm xuống từ 11 đại lượng 04 đại lượng biến đổi Sự liên quan đại lượng phương trình (9) cho thấy cần thay đổi mộtđại lượng dẫn đến đại lượng khác thay đổi Tương ứng với mẫu đất, thí nghiệm xác định gradient tới hạn tốc độ xói ngầm Các kịch thí nghiệm cho 01 mẫu đất trình bày Bảng Bảng Thiết lập sê ri thí nghiệm (8) σ1 Bỏ qua Re (số Raynold); phương trình (8) trở thành: g đ mx f , i , C uđ , nđ kđ 1 (9) Phương trình (9) sử dụng để nghiên cứu tốc độ xói đất trước biến đổi trạng thái ứng suất, gradient thấm, tỷ lệ đồng hạt độ rỗng đất Phương trình sử dụng để xác định gradient thấm tới hạn (bắt đầu xói ngầm) đất điều kiện khác trạng thái σ11 … σ3 mx i1 i2 i3 … in σ311 mx111 mx112 mx113 … mx11n … … … σ31k mx1k1 mx1k2 mx1k3 … mx1kn … … … σ3m1 mxm11 mxm12 mxm13 … mxm1n … … σ1m … σ3mk … … … … … … … … … mxmk1 mxmk2 mxmk3 … mxmkn THIẾT KẾ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC 5.1 Tổng quan mơ hình thí nghiệm xói ngầm CƠNG NGHỆ nghiệm phòng thiết kế sử dụng để nghiên cứu tượng xói ngầm Dữ liệu thống kê nghiên cứu thực nghiệm xói ngầm cho đất khơng dính trình bày Bảng Trong nhiều thập kỷ qua, nhà khoa học nước nước ngồi tiến hành thí nghiệm phịng để tìm hiểu xói ngầm Nhiều thiết bị phương pháp thí Bảng Thống kê số mơ hình thí nghiệm xói ngầm Loại mơ hình / TT Tác giả chiều dịng thấm Kích thước mẫu Loại đất thí Ảnh hưởng (cm) nghiệm ứng suất Bertram G.E (1940) [5] VM / DF DxH=51x152 Cát Không xét Sherard nnk (1984) [6] VM / DF DxH=100x100 Cát Không xét Kenny and Lau (1985) [7] VM / DF Cát pha Không xét Skempton Brogan (1994) [8] Wilhelm (2000) [9] Tomlinson Vaid (2000) [10] Foster Fell (2001) [11] Tô Xuân Vu (2002) [12] DxH=580x860 VM / UF DxH=139x155 Cát thô Không xét VM / UF DxH=190x520 Cát Không xét VM / DF DxH=100x100 Cát pha Ứng suất σ1 VM / DF DxH=125x100 Sét cát pha Ứng suất σ1 BxHxL = 132x400x132 BxHxL = 132x180x632 DxH=70x140 DxH=279x450 DxH=280x600 D=279 H=325÷550 Cát bụi, cát hạt nhỏ Cu=3,0÷9,6 n=43,2÷45,1 Cát mịn, Cu=38,4 Cát hạt thơ Cát dmax =9mm VM / UF HM / DF Sterpi (2003) [13] VM / UF 10 Moffat Fannin (2006) [14] VM / DF 11 Y Sail nnk (2011) [15] VM / DF 12 R Moffat nnk (2011) [16] VM / DF 13 D Marot nnk (2012) [17] VM / DF N Benahmed, S Bonelli HM / HF (2012) [18] HM&VM 15 Y Wanga, X Ni (2013) [19] HF&UF M Sato, R Kuwano (2013a, 16 VM / DF b) [20, 21] L Ke, A Takahashi (2014) 17 VM / DF [22] 14 18 DxH=245x450 D.S Chang, L.M Zhang VM / DF (2013a) [23] 19 S Kimura nnk (2014) VM / DF Cát Cát pha, Cu=1,33 d 50=2,07mm Cát pha DxH=80x250 Cu=1,57 / BxHxL = Cát hạt mịn, thô 300x300x800 n=0,35÷0,38 Cát DxH=75x160 ρs =1,76g/cm Cát thơ, DxH=70x150 Cu =13÷18 Cát vừa, thơ DxH=100x100 d 50 = 1,82mm Cu=16,7 Hình trụ rỗng Cát D=73 H=60÷120 Khơng xét Khơng xét Ứng suất σ1 Ứng suất σ1 Ứng suất σ1 Không xét Không xét Không xét Ứng suất σ1 Ứng suất σ1,σ3 Ứng suất σ1,σ3 Ứng suất σ1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Loại mơ hình / TT Tác giả chiều dịng Kích thước mẫu Loại đất thí Ảnh hưởng (cm) nghiệm ứng suất thấm [24] Saman Azadbakht (2015) HM / HF [25] M Sato, R Kuwano (2015) 21 VM / DF [26] 20 Dtrong =55 Dngồi =75 d 50=2,16mm ρs =2,72g/cm DxH=152x160 Cát Khơng xét Cát Không xét Cát Cu=1,4; d 85=0,19mm Ứng suất σ1 Cát dmax =1mm Không xét BxHxL 80x200x300 = 22 L Sibille nnk (2016) [27] VM / DF DxH=280x600 23 S Wang nnk (2016) [28] HM&VM HF&UF / BxHxL = 300x280x730 BxHxL = 530x420x1130 DxH = 300x400 24 Đặng Quốc Tuấn (2017) HM / HF [29] VM / UF 25 F Ferdos nnk (2018) [30] VM / UF Cát d max =1mm; ρs =2,65g/cm Cát n DxH = 150x200 0,27÷0,28 Khơng xét = Khơng xét Ứng suất σ1 VM: Mơ hình thấm đứng; HM: Mơ hình thấm ngang; DF: Dòng thấm hướng xuống; UF: Dòng thấm hướng lên; HF: Dịng thấm hướng ngang; D: Đường kính mẫu; H: Chiều cao mẫu; B: Bề rộng mẫu; L: Chiều dài mẫu 78% mơ hình thí nghiệm bố trí theo hình thức thấm đứng; 15% thiết bị thí nghiệm bố trí theo hình thức thấm ngang có 7% mơ hình bố trí theo kiểu kết hợp thấm ngang thấm đứng Phần lớn thí nghiệm thực mẫu hình trụ, đường kính mẫu từ 25mm đến 580mm, tỷ lệ chiều dài mẫu / đường kính mẫu nằm khoảng (0,7 ÷ 2,7) [31]; có thí nghiệm thực với mẫu đất hình hộp 01 thí nghiệm với mẫu hình trụ rỗng Về chiều dịng thấm, thí nghiệm thực theo ba cách: (1) cho dòng thấm hướng lên trên; (2) cho dòng thấm hướng xuống dưới; (3) dòng thấm nằm ngang Trường hợp dịng thấm hướng lên mơ tả phù hợp tượng xói ngầm cửa cơng trình dễ dàng quan sát di chuyển hạt khỏi kết cấu ban đầu đất; nhiên, trường hợp khó khăn cho việc xác định tốc độ xói phần hạt bị xói bị lắng đọng bề mặt mẫu thí nghiệm Đối với trường hợp dịng thấm hướng xuống (được thực phần lớn thí nghiệm), việc thu khối lượng hạt bị xói dễ dàng thơng qua thiết bị đo độ đục thiết bị lắng đọng; nhiên, trường hợp không phản ánh sát chất tượng xói ngầm cửa nữa, tốc độ xói lớn ảnh hưởng lực trọng trường M ột giải pháp nhằm trung hòa yếu điểm hai cách thực với thiết bị cho dòng thấm theo phương ngang Với giải pháp này, việc xác định tốc độ xói thuận lợi dễ dàng quan sát tượng hạt đất bị tách khỏi kết cấu ban đầu; hạn chế lớn phân bố không gradient thủy lực bề mặt mẫu ảnh hưởng trọng lực, nhiên, nghiên cứu dịng thấm có áp, ảnh hưởng bỏ qua Về ảnh hưởng ứng suất: Các nghiên cứu gần trạng thái ứng suất đất ảnh hưởng khơng nhỏ đến q trình xói ngầm Theo số liệu thu thập được, có 10/27 thí nghiệm xét đến ứng suất; có 08 thí nghiệm xét đến ứng suất thẳng đứng σ1 tác dụng lên mặt mẫu, 02 thí nghiệm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC xét đến ứng suất σ1 σ3 (ứng suất ngang) 5.2 Thiết kế mơ hình thí nghiệm xói ngầm Để thực thí nghiệm phân tích khởi đầu phát triển xói ngầm, mơ hình thí nghiệm thấm ngang nghiên cứu thiết lập M hình cho phép kiểm sốt độc lập trạng thái ứng suất gradient thủy lực, đồng thời định lượng khối lượng đất bị xói mịn lưu lượng thấm Cấu tạo mơ hình gồm 04 phần chính: (i) Hộp thấm; (ii) Hệ thống cấp nước tạo áp lực thấm; (iii) Hệ thống tạo ứng suất đứng ngang; (iv) Hệ thống thu gom đất nước thấm; (v) Thiết bị phụ trợ Chi tiết mô hình thí nghiệm trình bày Hình 5.2.1 Hộp thấm Hộp thấm có kích thước 30cm chiều rộng, 50cm cao 100cm chiều dài; chia thành 04 ngăn: (1) Ngăn chứa mẫu đất thí nghiệm; (2) Ngăn cấp nước; (3) Ngăn thu đất nước thấm; (4) Ngăn chứa thiết bị nén tạo ứng suất thẳng đứng σ1 Ngăn chứa mẫu thí nghiệm (1): Kích thước ngăn chứa mẫu phụ thuộc vào đường kính hạt lớn đất thí nghiệm Kích thước hạt lớn lớp cát đê khu vực đồng sông Hồng, theo nghiên cứu Bùi Văn Trường [32]; đạt tới dmax = 5mm Trong nghiên cứu này, lựa chọn mẫu thí nghiệm hình hộp có kích thước (rộng x cao x dài) = (300x300x600) mm Tỷ số kích thước mẫu đường kính hạt lớn 60, lớn giá trị (8 ÷ 12) dmax quy định ASTM [33]; ngồi ra, kích thước mẫu đáp ứng yêu cầu ASTM (đường kính tối thiểu 76mm) kích thước hạt loại đất thí nghiệm CƠNG NGHỆ Ngăn cấp nước (2) có kích thước BxH xL = 30x50x20cm nối với bình điều áp (8a) Ngăn (2) chứa đầy sỏi đường kính 0,5 ÷ 1cm nhằm làm giảm thiểu hiệu ứng phun nước áp lực cao phân phối lưu lượng áp lực nước lên bề mặt mẫu thí nghiệm Giữa ngăn (1) ngăn (2) bố trí có đục lỗ (đường kính lỗ 1mm) với mục đích khuếch tán dịng chảy lên mẫu cố định kích thước mẫu Ngăn (3) có kích thước BxHxL = 30x50x20cm bố trí sau ngăn (1) nối tiếp với bình (10), bình (9) để thu gom đất bị xói nước thấm Đây nơi lấy mẫu để đo độ đục Cấu tạo đáy ngăn (3) có dạng hình phễu để dễ dàng thu gom vật liệu xói Giữa ngăn (3) ngăn (1) bố trí đục lỗ có đường kính 0,064mm đến 2mm tùy thuộc vào kích thước hạt mẫu thí nghiệm Ngăn số (4) có kích thước BxH xL = 30x20x60cm bố trí để chứa thiết bị nén tạo ứng suất thẳng đứng σ1 5.2.2 Hệ thống cấp nước tạo áp lực thấm Hệ thống gồm bình điều áp (8a), bình cấp nước (8b) 01 máy bơm Bình điều áp (8a) kết nối với ngăn (2) hệ thống đường ống (cứng mềm) van khóa Bình (8a) dùng để cung cấp trì áp lực nước lên mẫu suốt q trình thí nghiệm; bình bố trí cửa xả tràn tự để giữ cố định mực nước bình Độ cao bình (8a) điều chỉnh thiết bị ròng rọc định vị độ cao khác để tạo độ chênh cột nước mong muốn Bình cấp nước (8b) bố trí để cung cấp nước cho bình (8a) nhằm giữ cho mực nước bình (8a) khơng thay đổi Bố trí máy bơm hút nước từ bể ngầm cung cấp nước cho bình (8b) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ a) Mặt bố trí phận Phần thứ I b) Mặt cắt A - A Phần thứ II c) Mặt cắt B – B – M ẫu đất; – Ngăn cấp nước; – Ngăn thu đất nước thấm; – N găn chứa thiết bị nén; – Thiết bị nén tạo ứng suất thẳng đứng; – Hộp chứa nước tạo áp lực hơng; – Bình a nước tạo áp lực hơng; 8a – Bình điều áp; 8b – Bình cấp nước; – Bình cân áp lực; 10 – Bình thu gom đất bị xói; 11 – Bình đo lượng nước thấm Hình Cấu tạo mơ hình thí nghiệm xói ngầm 5.2.3 Hệ thống tạo ứng suất đứng ngang Hệ thống gồm thiết bị nén tạo ứng suất thẳng đứng σ1 (5), 02 hộp tạo áp lực hơng σ3 (6), bình tạo áp lực hơng (7) bình cân áp lực (9) Thiết bị nén tạo ứng suất thẳng đứng σ1 (5) gồm hệ thống gia tải dọc trục piston Hệ thống gia tải cho phép tạo ứng suất thẳng đứng lên bề mặt mẫu thông qua piston gắn ngăn (4) Piston di chuyển ngăn (4) với kín khít để tránh cho nước trào ngược làm giảm áp lực lên mẫu Áp lực hông σ3 tạo nhờ áp lực nước qua bình tạo áp (7) 02 hộp tạo áp lực hơng σ3 (6) bố trí hai bên ngăn chứa mẫu (1) Hộp (6) tháo rời gắn lại với hộp thấm q trình thí nghiệm Nhằm giảm thiểu rò rỉ tạo áp lực phân bố lên bề mặt mẫu, màng cao su trí mặt tiếp giáp hộp (6) mẫu đất thí nghiệm Áp lực nước từ hộp (6) tác dụng lên bề mặt mẫu qua màng cao su Để đảm bảo cân áp lực, hai hộp (6) nối chung vào bình (7) Bình (7) thay đổi độ cao (thơng qua hệ thống ròng rọc) tùy thuộc vào áp lực yêu cầu Bình cân áp (9) bố trí nối tiếp với ngăn thu nước thấm (3) với mục đích tạo cột nước hạ lưu để cân với ứng suất σ1 σ3 thời điểm bắt đầu thí nghiệm Bình (9) có bố trí lỗ xả tràn để trì mực nước hạ lưu thu gom nước thấm bình (11) Bình thay đổi độ cao (thơng qua hệ thống rịng rọc) tùy thuộc vào áp lực σ1, σ3 yêu cầu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 KHOA HỌC 5.2.4 Hệ thống thu gom đất nước thấm Bình thu gom đất bị xói (10) gắn đáy ngăn chứa nước thấm Bình tháo rời để phục vụ cân đo lượng bùn cát bị xói sau q trình thí nghiệm Bình (11) bố trí sau bình điều áp (9) với mục đích đo lượng nước thấm sau thời gian thí nghiệm Từ lượng nước thấm xác định lưu lượng thấm hệ số thấm 5.2.5 Thiết bị phụ trợ Thiết bị phụ trợ đồng hồ, máy đo độ đục, đầu đo áp lực, máy tính, camera, thước, v.v… trang bị đầy đủ theo yêu cầu thí nghiệm KẾT LUẬN Từ cố thấm xảy gần cống đê cát cho thấy, có ảnh CƠNG NGHỆ hưởng khơng nhỏ hệ thống cọc bê tông cốt thép gia cố đến biến dạng thấm đáy cống Điều cần phân tích, đánh giá kỹ để có biện pháp phòng tránh Dựa nguyên tắc phương pháp phân tích thứ ngun, phương trình nghiên cứu thực nghiệm với tốc độ xói hàm số gradient thấm, trạng thái ứng suất, độ rỗng đất nền, thành phần hạt, v.v… thiết lập Từ phương trình này, chuỗi thí nghiệm xác định khởi đầu diễn biến xói ngầm đề xuất Trên sở đó, thiết bị thí nghiệm thiết kế để thực sê ri thí nghiệm nhằm xác định gradient tới hạn tốc độ xói ngầm Kết nghiên cứu thực nghiệm giúp thu liệu cần thiết phục vụ cho cơng tác thiết kế, cảnh báo an tồn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quốc Dũng (2006), Nghiên cứu giải pháp khoa học công nghệ để sửa chữa nâng cấp cống đê sơng Hồng sơng Thái Bình, Đề tài độc lập cấp Nhà nước, Viện Khoa học Thủy lợi, Hà Nội [2] D M arot, A Rochim, H.H Nguyen, F Bendahmane, L Sibille (2014), “Suffusion sensibility characterization of saturated soil”, Tuyển tập báo cáo Hội thảo quốc tế An toàn đê, đập đất loại vừa nhỏ, Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước, Hà Nội [3] Dirk de Lange (2013), On the possibility of simulating pile set-up in sand by means of centrifuge model testing, M Sc Thesis, Delft University of Technology, Rotterdam [4] Phạm Ngọc Quý (2013), Nghiên cứu thực nghiệm thủy lực, Bài giảng dùng cho cao học, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội [5] Bertram, G E (1940) "An Experimental Investigation of Protective Filters", Harvard Soil Mechanics Series No 7, Graduate School of Engineering Harvard University, Cambridge, MA [6] Sherard, J.L., Dunnigan, L.P., Talbot, J.R (1984) “Basic properties of sand and gravel filters”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 110(6), 684-700 [7] Kenney, T C., and Lau, D (1985), “Internal stability of granular filters”, Canadian Geotechnical Journal, Vol 22(2), 215–225 [8] Skempton, A W and Brogan, J M (1994), “Experiments on piping in sandy gravels”, Geotechnique, 44(3), 449–460 [9] Wilhelm, Th (2000), Piping in Saturated Granular Media, Ph.D Thesis, University of Innsbruck TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ [10] Tomlinson, S S., and Vaid, Y P (2000), “Seepage forces and confining pressure effects on piping erosion”, Canadian Geotechnical Journal, 37(1), 1–13 [11] Foster and Fell (2001), “Assessing Embankment DamFilters that not Satisfy Design Criteria”, ASCE JournalGeotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.127(5) [12] Tô Xuân Vu (2002), Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng đặc tính biến dạng thấm số trầm tích đến ổn định đê (lấy ví dụ đoạn đê sơng Hồng), Luận án Tiến sĩ Địa chất, Trường Đại học M ỏ - Địa chất, Hà Nội [13] Sterpi, D (2003), “Effect of the erosion and transport of fine particles due to seepage flow”, International Journal of Geomechanics, 3(1), 111–122 [14] Fannin, R.J., M offat, R (2006), “Observations on internal stability of cohesionless soils.”, Géotechnique, 56 (7), 497–500 [15] Yacine Sail, Didier M arot, Luc Sibille, Alain Alexis (2011), “Suffusion tests on cohesionless granular matter”, European Journal of Environmental and Civil Engineering, 15(5), 799-817 [16] Ricardo M offat, R Jonathan Fannin, and Stephen J Garner (2011), “Spatial and temporal progression of internal erosion in cohesionless soil”, Canadian Geotechnical Journal, 48, 339-412 [17] Didier M arot, Van Duong Le, Jacques Garnier, Luc Thorel, Philippe Audrain (2012), “Study of scale effect in an internal erosion mechanism: centrifuge model and energy analysis”, European Journal of Environmental and Civil Engineering, 16(1), 1–19 [18] Benahmed, N., and Bonelli, S (2012), “Internal erosion of cohesive soils: laboratory parametric study” ICES 6-Paris, 1041-1047 [19] Yuan Wang, Xiaodong Ni (2013), “Hydro-mechanical analysis of piping erosion based on 3D similarity criterion at micro-level by PFC ”, European Journal of Environmental and Civil Engineering, 17(1), 187-204 [20] Sato, M , Kuwano, R., (2010a), “M odel tests for the evaluation of formation and expansion of a cavity in the ground: Proceedings of Seventh International Conference on Physical Modelling in Geotechnics, Zurich, 581–586 [21] Sato, M , Kuwano, R., (2010b), “Fundamental study of permeability change around buried structures in sandy ground”, Proceedings Eighth International Symposium on New Technologies for Urban Safety of Mega Cities in Asia, Kobe, 607–615 [22] L Ke, A Takahashi (2014), “Triaxial erosion test for evaluation of mechanical consequences of internal erosion”, Geotechnical Testing Journal, 37 (2), 347-364 [23] D.S Chang, L.M Zhang (2013a), “Critical Hydraulic Gradients of Internal Erosion under Complex Stress States”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 139(9), 1454 – 1467 [24] Sho Kimura, Hiroaki Kaneko, Takuma Ito, Hideki M inagawa (2014), “The Effect of Effective Normal Stress on Particle Breakage, Porosity and Permeability of Sand: Evaluation of Faults around M ethane Hydrate Reservoirs”, Tectonophysics, 630, 285-299 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ [25] Saman Azadbakht (2015), Analytical and Experimental Modeling of Internal Erosion in Porous Media, M Sc Thesis, Department of Civil and Environmental Engineerin g University of Alberta [26] Sato, M , Kuwano, R (2015), “Influence of location of subsurface structures on development of underground cavities induced by internal erosion”, Soils Found, 55(4), 829–840 [27] Luc Sibille, Didier M arot, Yacine Sail (2016), “A description of internal erosion by suffusion and induced settlements on cohesionless granular matter”, Acta Geotechnica, Springer Verlag, 10 (6), 735-748 [28] Shuang Wang, Jian-sheng Chen, Hai-qing He, Wen-zheng He (2016), “Experimental study on piping in sandy gravel foundations considering effect of overlying clay”, Water Science and Engineering, 9(2), 165-171 [29] Đặng Quốc Tuấn (2017), Nghiên cứu đánh giá an toàn đê Hữu Hồng đoạn qua Hà Nội điều kiện biến đổi khí hậu, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội [30] Farzad Ferdos, Bijan Dargahi, Luca Solari (2018), “M echanism of Suffusion Erosion Phenomenon in Porous M edia”, Journal of Geology and Geoscience, 2(1) [31] D.S Chang, L.M Zhang (2013), “Extended internal stability criteria for soils under seepage”, Soils and Foundations, 53(4), 569–583 [32] Bùi Văn Trường (2015), “Kết bước đầu nghiên cứu xói ngầm, cát chảy đê sơng phương pháp thí nghiệm trường”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, 50, tr 133-139 [33] ASTM 2434-65 (reapproved 2000), Standard test method for permeability of granular soils (constant head) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 45 - 2018 11 ... trình bày kết nghiên cứu, thiết lập phương trình thực nghiệm mơ hình vật lý để nghiên cứu tượng thấm đáy cống qua đê cát có xét đến trạng thái ứng suất σ1 σ3 có khơng có cọc bê tơng cốt thép NỘI DUNG,... từ tim cọc Từ phân tích trên, với mục đích, phạm vi nghiên cứu, đại lượng vật lý ảnh hưởng đến xói ngầm cống qua đê có gia cố cọc bê tơng cốt thép giới hạn Bảng Bảng Các đại lượng nghiên cứu Đại... ngang) 5.2 Thiết kế mơ hình thí nghiệm xói ngầm Để thực thí nghiệm phân tích khởi đầu phát triển xói ngầm, mơ hình thí nghiệm thấm ngang nghiên cứu thiết lập M hình cho phép kiểm sốt độc lập trạng