Nghiên cứu phá hủy thấm nền cống Cẩm Đình và giải pháp xử lý

Biến đổi khí hậu cùng với các hiện tượng thời tiết cực đoan... đã khiến tình hình suy giảm dòng chảy mặt diễn ra ngày càng nghiêm trọng. Hệ quả là sự cạn kiệt, suy giảm mực nước phía sông xuống thấp kỷ lục trong lịch sử.

Người phản biện: PGS.TS ĐẬU VĂN NGỌ NGHIÊN CỨU PHÁ HỦY THẤM NỀN CỐNG CẨM ĐÌNH VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NGUYỄN ĐỨC HUY*, BÙI VĂN TRƢỜNG** Permeability deformation of soils under foundation of sluice at dike Cam Dinh and some remedial measures Abstract: In recent years, a series of permeability deformation and structural damages were found out at sluice under dike Cam Dinh The paper deal with results of studies on geological conditions, analysis of actual damage events for evaluating cause and proposing some remedial measures Keywords: Permeable deformation, Permeability treatment, spill drills, waterproofing piles ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong năm gần đây, biến đổi khí hậu * ** Trung tâm uy hoạch Điều tra tài nguyên nước quốc gia DĐ: 0963585555 Trường Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội DĐ: 0912135769 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 (BĐKH) với tƣợng thời tiết cực đoan khiến tình hình suy giảm dịng chảy mặt diễn ngày nghiêm trọng Hệ cạn kiệt, suy giảm mực nƣớc phía sơng xuống thấp kỷ lục lịch sử Các hình thức biến dạng, phá hủy thấm nhƣ mạch đùn, mạch sủi, xói ngầm, xảy phổ biến khơng 41 phía đồng mùa lũ mà xuất phía sơng mực nƣớc sơng xuống thấp Hệ thống cơng trình đê điều phải làm việc điều kiện bất lợi Nhiều cố cơng trình tác động dòng thấm xảy phức tạp Cống Cẩm Đình cơng trình nằm đê phân lũ Vân Cốc Tim cống cách vai phải cống phân lũ Vân Cốc 240m phía thƣợng lƣu sơng Hồng thuộc địa phận xã Cẩm Đình, huyện Phúc Thọ, TP Hà Nội Đƣợc khởi công xây dựng năm 2002 hồn thành vào năm 2004 Cống có nhiệm vụ chủ động đƣa nƣớc từ sông Hồng qua kênh Cẩm Đình - Hiệp Thuận tiếp nguồn cho lƣu vực sông Đáy đáp ứng nhu cầu sản xuất nông nghiệp dân sinh tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hà Nam, Hịa Bình, Nam Định, Ninh Bình,… Theo thống kê Ban Quản lý cơng trình phân lũ sơng Đáy (Sở NN&PTNT Hà Nội), năm gần đây, trung bình số ngày cống Cẩm Đình hoạt động thiết kế đạt 137 ngày/năm Thậm chí, mùa kiệt năm 2016, cống Cẩm Đình khơng thể hoạt động mực nƣớc sơng Hồng thấp đáy cống Cịn vào mùa lũ, cống Cẩm Đình có 19 ngày đủ nƣớc để hoạt động; năm 2017, mùa kiệt có 13 ngày nƣớc sông Hồng qua cống Đồng thời với suy giảm dòng chảy mặt, cạn kiệt, suy giảm mực nƣớc phía sơng, thời gian gần đây, cống Cẩm Đình xảy tƣợng xói ngầm, mạch đùn, mạch sủi phía đồng phía sơng gây biến dạng, xói rỗng đất Đây hình thức biến dạng thấm nguy hiểm, gây ổn định cơng trình Việc nghiên cứu tác động bất lợi dòng thấm điều kiện cực đoan nhƣ cho cơng trình cụ thể nhƣ cống Cẩm Đình, nhằm xác định rõ nguyên nhân đề xuất giải pháp xử lý phù hợp đảm bảo ồn định cơng trình nhiệm vụ cấp bách, có ý nghĩa khoa học thực tiễn ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT NỀN CƠNG TRÌNH Theo kết khảo sát Địa chất cơng trình năm 2001, 2019 cho thấy, cống Cẩm Đình có cấu trúc (hình 01) gồm lớp đất sau: Hình Mặt cắt địa chất ngang cống Cẩm Đình - Lớp 1: Đất đắp-Sét, sét pha, dẻo cứng; - Lớp 1a: Bản đáy cống-Bê tông cốt thép; - Lớp tk: Cát xốp, lỏng, bão hòa nƣớc; - Lớp 2: Cát hạt nhỏ, chặt vừa; - Lớp 3: Cát hạt trung lẫn sạn sỏi, chặt vừa; - Lớp 4: Sét pha dẻo mềm - dẻo chảy; - Lớp 5: Sét, sét, dẻo cứng; - Lớp 6: Cuội sỏi, chặt-rất chặt Đặc trƣng lý lớp đất đƣợc trình bày bảng 01 Nhƣ vậy, đáy cống đặt trực tiếp lớp cát hạt nhỏ, hạt trung (lớp 2) có tính thấm mạnh, phần tiếp giáp với đáy cống bị dịng thấm xói rỗng cục (hình thành lớp cát xốp, lỏng - Lớp tk) Lớp bị sơng Hồng phía ngồi đê sơng dẫn phía đồng đào cắt, có quan hệ thủy lực trực tiếp với nƣớc sông Hồng sơng dẫn phía đồng nên có chênh lệch mực nƣớc hình thành dịng thấm từ phía sơng phía đồng hƣớng ngƣợc lại làm phát sinh biến dạng thấm (BDT) gây ổn định cơng trình Bảng Đặc trƣng lý lớp đất 42 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 DIỄN BIẾN, NGUN NHÂN ĐÙN, SỦI, XĨI NGẦM NỀN CƠNG TRÌNH 3.1 Thơng số cơng trình Cống Cẩm Đình thuộc loại cống hở có kiến trúc tầng, gồm khoang (2 khoang lấy nƣớc khoang thơng thuyền), cơng trình cấp I; - Tần suất thiết kế: Đảm bảo tƣới P=75%; - MN sông Hồng phân lũ Vân Cốc +15,62m; - MN sông Đáy hạ lƣu Đập Đáy P=75%: +4,28m; - Lƣu lƣợng thiết kế (lấy nƣớc mùa kiệt): QTK=36,24m3/s 3.2 Diễn biến mạch đùn, mạch sủi, xói ngầm cơng trình Theo số liệu đơn vị Quản lý cơng trình [1]: - Tháng 8/2017, chênh lệch mực nƣớc thƣợng - hạ lƣu 5,75m, phát thấy tƣợng mạch đùn, sủi kênh Cẩm Đình – Hiệp Thuận Vị trí mạch đùn, sủi nằm khoảng kênh, cách tim cống khoảng 122m phía hạ lƣu; - Tháng 9/2017, chênh lệch mực nƣớc thƣợng, hạ lƣu cống mức 3,54m xuất đùn, sủi nƣớc đục vị trí cách tim cống khoảng 122m; 89m 42m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 - Đặc biệt, tháng7/2016, chênh lệch mực nƣớc hạ lƣu, thƣợng lƣu cống 0,85m xuất dòng nƣớc đục đẩy ngƣợc, đùn, sủi mang phải cống phía thƣợng lƣu cống, điểm tiếp giáp chân mái kè thƣợng lƣu phần bê tông đáy kênh thƣợng lƣu cống Kết khảo sát mạnh đùn, sủi hạ lƣu cống phần ngập nƣớc thợ lặn cho thấy, mạch đùn sủi số vị trí kênh, nƣớc đẩy mạnh lên mặt nƣớc (hình số &3), lỗ đùn, sủi dƣới đáy kênh có dạng hàm ếch kích thƣớc (40x8)cm, nƣớc chảy từ lỗ thủng mạnh, xung quanh có nhiều bùn cát đùn lên Nhƣ vậy, năm gần tình hình đùn, sủi cống Cẩm Đình ngày gia tăng, chúng không xuất hạ lƣu cống có lũ mà cịn xuất thƣợng lƣu cống nƣớc sông Hồng cạn kiệt, moi chuyển bùn, cát đùn lên làm rỗng công trình nguy hiểm chúng xuất với chênh lệch mực nƣớc ngày thấp Điều chứng tỏ biến dạng thấm cơng trình phát sinh, phát triển với quy mô ngày nguy hiểm 3.3 Kết khảo sát, đánh giá nguyên nhân đùn, sủi, xói ngầm cống Cẩm Đình 3.3.1 Khảo sát, đánh giá làm việc hệ thống lọc ngược xử lý thấm 43 Giải pháp cừ chống thấm kết hợp với hệ thống lọc ngƣợc hạ lƣu đƣợc sử dụng để xử lý thấm xây dựng cơng trình Tuy nhiên, kết khảo sát trực tiếp toàn hệ thống lọc ngƣợc, thoát nƣớc hạ lƣu đáy kênh phƣơng pháp thợ lặn ngày 14/9/2017, 4,95m cho thấy: - Đáy bể tiêu có 15 hàng lỗ thoát nƣớc theo chiều dọc kênh, dƣới tầng lọc ngƣợc đá dăm vải lọc; đó, phía bên phái có hàng gồm 25 lỗ có lỗ có hoạt động (1 lỗ hoạt động mạnh 02 lỗ lại hoạt động yếu), phía bên trái có 10 hàng gồm 50 lỗ có 12 lỗ cịn hoạt động (4 lỗ hoạt động mạnh) Nhƣ tổng số 75 lỗ thoát nƣớc tầng lọc ngƣợc có 17 lỗ cịn hoạt động (5 lỗ hoạt động tốt) - Quan sát lỗ nƣớc thấm mái kênh phía bờ trái cho thấy nƣớc chảy thành dòng, xunh quanh lỗ có cát đùn tạo thành đống nhỏ Tầng lọc ngƣợc lỗ thoát nƣớc bị hỏng tác dụng nên cát mái kênh theo nƣớc chảy ngồi (hình 6) Nhƣ vậy, phần lớn hệ thống lọc ngƣợc, thoát nƣớc hạ lƣu đáy kênh bị tắc hƣ hỏng khơng cịn làm việc đƣợc nhƣ thiết kế ban đầu 3.3.2 Khảo sát, đánh giá xói ngầm cống Để xác định rõ phạm vi, mức độ phá hủy thấm, xói rỗng nền, phƣơng pháp phƣơng pháp địa vật lý đƣợc sử dụng kết hợp với khoan địa chất cơng trình Kết đo mặt cắt điện đo sâu điện đa cực khoanh định đƣợc lớp cát 2, dƣới đáy cống xuất đới dị thƣờng, điện trở suất thấp cát lớp bị xói ngầm giảm mật độ hạt nên độ rỗng, xốp lớn (hình 02) Đới đƣợc xác nhận thể rõ qua kết khoan khảo sát địa chất có mặt lớp cát xốp, lỏng, bão hòa nƣớc (lớp tk) dƣới đáy cống (hình 01) 44 Hình Mặt cắt điện tuyến TD2 thượng lưu cống Cẩm Đình Hình Thợ lặn xác định vị trí mạch đùn sủi Hình Vị trí lỗ sủi hạ lưu cống thợ lặn đánh dấu Hình Lặn kiểm tra đáy kênh hạ lưu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình Hiện trạng lỗ nước mái kênh (mái bên trái) 3.3.2 Phân tích, đánh giá nguyên nhân Để xác định rõ nguyên nhân gây phá hủy thấm, biến dạng cơng trình, sử dụng module Seep/W phần mềm Geo-Studio tính tốn, đánh giá tác động dịng thấm điều kiện thực tế, cơng trình phải làm việc điều kiện bất lợi mực nƣớc sơng hạ thấp, cạn kiệt thiết bị nƣớc khơng cịn làm việc bình thƣờng Các trƣờng hợp tính tốn cụ thể đƣợc trình bày bảng 02 Bảng 2: Các trƣờng hợp tính tốn thấm TH tính toán Hƣớng thấm Mực nƣớc HL (m) Mực nƣớc TL (m) 1a Từ TL HL 5,27 16,01 1b Từ TL HL 5,27 16,01 2a Từ HL TL 5,27 2,5 2b Từ HL TL 5,27 2,5 Bảng 3: Kết tính tốn thấm Mực nƣớc HL (m) Jmax cửa Lọc ngƣợc HL làm việc bình thƣờng Lọc ngƣợc HL bị tắc Lọc ngƣợc HL làm việc bình thƣờng Lọc ngƣợc HL bị tắc TH tính tốn Hình thức thấm 1a Từ TL HL +5,27 +16,01 0,107 0,18 1b Từ TL HL +5,27 +16,01 0,22 0,18 2a Từ HL TL +5,27 +2,5 0,27 0,18 2b Từ HL TL +5,27 +2,5 0,20 0,18 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Mực nƣớc TL (m) Ghi [Jmax] cửa Ghi Lọc ngƣợc HL làm việc bình thƣờng Lọc ngƣợc HL bị tắc Lọc ngƣợc HL làm việc bình thƣờng Lọc ngƣợc HL bị tắc 45 Hình Gradient thấm cống TH 2ª Mực nước sơng Hồng hạ thấp đến +2,5m Kết tính tốn thấm theo hƣớng từ phía sơng phía đồng hƣớng ngƣợc lại đƣợc trình bày cụ thể bảng 02 cho thấy: Trong trƣờng hợp nƣớc lũ sông Hồng, mức +16,01m, lọc ngƣợc hạ lƣu cống bị tắc (trƣờng hợp TH 1b) nƣớc sông Hồng bị cạn kiệt, hạ thấp đến +2,50m (TH 2a 2b) dù lọc ngƣợc hạ lƣu hoạt động tốt bị tắc, gradien Jmax vƣợt gradien thấm cho phép [Jmax], không đảm bảo điều kiện gradient thấm Điều lý giải cho phát sinh phát triển mạch đùn phía hạ lƣu thƣơng lƣu cống Cẩm Đình Khi mạch đùn phát triển, cát lớp dƣới đáy cống bị moi chuyển, xói ngầm, đùn cửa (vị trí mạch đùn) hình thành đƣờng thấm, hang thấm cục dƣới đáy cống Quá trình xói rỗng cống đƣợc phát thể rõ qua kết hố khoan khảo sát địa chất có mặt lớp cát xốp, lỏng (lớp tk) phân bố cục dƣới đáy cống (hình 01) kết đo địa vật lý mặt cắt điện đo sâu điện (hình 02) Nhƣ vậy, nguyên nhân gây phá hủy, biến dạng thấm làm rỗng cống sau nhiều năm vận hành hệ thống lọc ngƣợc hầu hết bị tắc, khơng cịn tác dụng nƣớc, làm tăng gradien áp lực thấm, nƣớc lũ phía sơng dâng cao gây đùn, sủi phía đồng; Về mùa khơ, nƣớc sơng Hồng hạ thấp, cạn kiệt, phải đóng cống để trữ nƣớc phía đồng, chênh lệch mực nƣớc phía đồng sơng gia tăng làm phát sinh dịng thấm từ phía đồng có gradien 46 vƣợt q giới hạn gây đùn, sủi phía sơng Đồng thời, sau thời gian sử dụng lún không đều, xuất khe hở sân thƣợng lƣu đáy kênh dẫn thƣợng lƣu nhƣ đáy kênh dẫn thƣợng lƣu bờ kênh thƣợng lƣu nên xuất dòng thấm ngƣợc từ hạ lƣu thƣợng lƣu hạt cát dễ dàng theo dòng thấm Mặt khác, theo hồ sơ thiết kế cao độ chân cừ chống thấm phía thƣợng lƣu -6,9m 11,4m Nhƣ chân cừ chống thấm phía thƣợng lƣu chƣa đạt đủ chiều sâu để cắm vào lớp đất chống thấm tốt; phạm vi đóng cừ chống thấm cơng trình chƣa đủ rộng, đóng cừ chống thấm phạm vi thân cống không kéo dài hai bên mang cống nên với trƣờng hợp thấm vòng qua thân cừ cơng trình khơng đảm bảo điều kiện ổn định chống thấm Đây nhƣng nguyên nhân gây biến dạng, phá hủy thấm cơng trình GIẢI PHÁP XỬ LÝ Căn vào điều kiện thực tế, kiến nghị giải pháp nhƣ sau: - Khoan bù phần bị dòng thấm phá hủy, xói rỗng dƣới đáy cống Sử dụng vật liệu bù cát – xi măng bê tông, đá (1x2)cm - Xử lý thấm từ phía sơng phía đồng dịng thấm ngƣợc phía đồng sơng hàng cừ chống thấm thƣợng hạ lƣu cừ thép Larsen IV, chân cừ cắm vào lớp đất chống thấm tốt (lớp 4) Phạm vi chiều rộng đóng cừ bao gồm toàn phần đáy cống kéo dài sang bên bờ phải bờ trái để ngăn chặn dong thấm vòng hai bên thân cống Cống Cẩm Đình cơng trình dƣới đê (cấp I), cơng trình có tầng chứa nƣớc áp lực để đảm bảo an tồn tuyệt đối cho cơng trình, công tác chống thấm đƣợc tăng cƣờng giải pháp khoan nút vật liệu xi măng bentonit tạo chống thấm hai bên mang công để ngăn ngừa nƣớc có áp thâm nhập KẾT LUẬN ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 - Nguyên nhân gây phá hủy, biến dạng thấm sau nhiều năm vận hành hệ thống lọc ngƣợc hầu hết bị tắc, khơng cịn nƣớc, làm tăng gradien áp lực thấm, gây đùn, sủi phía đồng; Đặc biệt, nƣớc sơng Hồng cạn kiệt phát sinh dịng thấm ngƣợc từ phía đồng có gradien vƣợt q giới hạn gây đùn, sủi phía sơng Lún khơng làm xuất khe hở sân thƣợng lƣu đáy kênh dẫn nhƣ đáy kênh dẫn bờ kênh; cừ chống thấm phía thƣợng lƣu chƣa đạt đủ chiều sâu để cắm vào lớp đất chống thấm tốt, chƣa đủ rộng để ngăn dòng thấm vòng hai bên cống - Cống Cẩm Đình cơng trình dƣới đê cấp I, cơng trình phải làm điều kiện bất lợi nhƣ nay, cần sử dụng tổ hợp giải pháp đảm bảo tuyệt đối an toàn Trƣớc hết cần khoan bù cho phần bị xói rỗng Để xử lý dịng thấm từ phía sơng có lũ dịng thấm ngƣợc từ phía đồng nƣớc sông Hồng cạn kiệt sử dụng giải pháp cừ chống thấm thƣợng hạ lƣu, kết hợp với khoan tạo chống thấm hai bên mang cống ngăn ngừa dịng thấm từ tầng chứa nƣớc có áp TÀI LIỆU THAM KHẢO Ban Quản lý công trình phân lũ sơng Đáy (2016), Báo cáo Hiện tượng mạch sủi thượng lưu cống Cẩm Đình, Hà Nội; Tổng công ty TVXDTL Việt Nam - CTCP (2001), Hồ sơ thiết kế cống Cẩm Đình, Hà Nội; Viện Kỹ thuật cơng trình (2019), Báo cáo khảo sát địa chất cơng trình, dự án Xử lý cố mạch đùn, mạch sủi cống Cẩm Đình, Hà Nội; Bùi Văn Trƣờng (2009), Nghiên cứu biến dạng thấm đê hạ du sơng Hồng địa phận tỉnh Thái Bình đánh giá thực nghiệm giải pháp xử lý, Luận án tiến sĩ kỹ thuật , Hà Nội; Bùi Văn Trƣờng (2013), Cơ chế phá hủy thấm đê hạ du sơng Hồng, Tạp chí Địa kỹ thuật, số 4-2013, Hà Nội; TCVN 8253:2012, Cơng trình thủy lợi Nền cơng trình thủy cơng - u cầu thiết kế Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN HUY PHƢƠNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 47 ... định chống thấm Đây nhƣng nguyên nhân gây biến dạng, phá hủy thấm cơng trình GIẢI PHÁP XỬ LÝ Căn vào điều kiện thực tế, kiến nghị giải pháp nhƣ sau: - Khoan bù phần bị dòng thấm phá hủy, xói rỗng... cố mạch đùn, mạch sủi cống Cẩm Đình, Hà Nội; Bùi Văn Trƣờng (2009), Nghiên cứu biến dạng thấm đê hạ du sông Hồng địa phận tỉnh Thái Bình đánh giá thực nghiệm giải pháp xử lý, Luận án tiến sĩ kỹ... thiết kế ban đầu 3.3.2 Khảo sát, đánh giá xói ngầm cống Để xác định rõ phạm vi, mức độ phá hủy thấm, xói rỗng nền, phƣơng pháp phƣơng pháp địa vật lý đƣợc sử dụng kết hợp với khoan địa chất cơng