Nghiên cứu xác định nguyên nhân và đề xuất biện pháp xử lý sự cố sạt trượt mái đê, kè tuyến đê hữu hồng tỉnh nam định

Sử dụng các thông tin và tài liệu về địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn, các sự cố của tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định trong những năm gần đây nhằm đánh giá nguyên nhân gây sạt trượ

L ỜI CAM ĐOAN

Tên học viên: Nguyễn Trung Hợp

Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu xác định nguyên nhân và đề xuất biện pháp xử lý

s ự cố sạt trượt mái đê, kè tuyến đê hữu Hồng- tỉnh Nam Định”

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được

thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

L ỜI CẢM ƠN

Với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy, cô giáo,

đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã giúp tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ “Nghiên

c ứu xác định nguyên nhân và đề xuất biện pháp xử lý sự cố sạt trượt mái đê, kè tuy ến đê hữu Hồng- tỉnh Nam Định”

Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Công Thắng đã hướng dẫn trực tiếp và định hướng khoa học cho Luận văn thạc sĩ này

Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong trường Đại học Thuỷ Lợi, Phòng đào

tạo Đại học và sau Đại học về sự giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Chi cục Đê điều và PCLB-Sở NN&PTNT tỉnh Nam Định đã tạo điều kiện giúp đỡ cung cấp số liệu, tạo mọi điều

kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này

Tuy nhiên đã hết sức cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học cũng như kinh nghiệm thực tế của bản thân tác giả nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp tác

giả hoàn thiện đề tài của luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

M ỤC LỤC

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

4.1 Cách tiếp cận 3

4.2 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Kết quả đạt được 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ SÔNG HỒNG VÀ SỰ CỐ ĐÊ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 1.1 Tổng quan về đê sông Hồng 4

1.1.1 Lịch sử hình thành[11] 4

1.1.2 Đặc điểm đê[1] 5

1.1.2.1 Tuyến đê 5

1.1.2.2 Địa hình hai bên ven đê 6

1.1.3 Cấu trúc địa chất và tính chất địa chất công trình của các lớp đất ở nền đê[1] 6

1.1.4 Đặc điểm địa chất thủy văn[1] 7

1.1.5 Cấu tạo thân đê và sự làm việc của đê[1] 7

1.1.6 Mặt cắt ngang đặc trưng của đê[1] 8

1.2 Các sự cố đê và nguyên nhân gây sự cố 9

1.2.1 Các sự cố đê 9

1.2.1.1 Xói lở chân đê 9

1.2.1.2 Sự cố đê trên nền đất yếu 9

1.2.1.3 Sự cố thấm ở chân mái hạ lưu 10

1.2.1.4 Khuyết tật trong thân đê 10

1.2.1.5 Sự cố ở vùng nối tiếp khi tôn cao 11

1.2.1.6 Mạch đùn, mạch sủi vào mùa lũ 11

1.2.2 Nguyên nhân gây sự cố đê 12

1.2.2.1 Địa chất nền đê và vật liệu đắp đê 13

1.2.2.2 Sóng, gió và mưa bão 13

1.2.2.3 Dòng chảy và việc xây dựng các hồ chứa ở thượng nguồn 13

1.2.2.4 Do phát triển các hoạt động dân sinh ở vùng ven sông 13

1.2.2.5 Do khai thác cát, sỏi lòng sông trái phép 14

1.2.2.6 Do ảnh hưởng của thủy triều 14

1.2.2.7 Do hoạt động của sinh, động vật trong thân đê 14

1.3 Các sự cố đê trên tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định[4] 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH THẤM VÀ ỔN ĐỊNH ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 2.1 Đặt vấn đề [9] 18

2.2 Phân tích thấm, các phương pháp tính thấm và lựa chọn phương pháp tính[7] 19

2.2.1 Phân tích thấm 19

2.2.1.1 Bài toán thấm 20

2.2.1.2 Cấu trúc thành phần của đất bão hòa và đất không bão hòa[7] 20

Đất bão hòa: 20

Đất không bão hòa: 20

2.2.1.3 Dòng thấm nước[7] 21

2.2.1.4 Thế truyền động của pha nước[7] 22

2.2.1.5 Ảnh hưởng của pha khí[7] 26

2.2.1.6 Đường cong đặc trưng Nước-Đất[7] 27

2.2.1.7 Định luật Darcy cho đất không bão hoà[7] 27

2.2.1.8 Phương trình vi phân cơ bản của bài toán thấm[7] 29

2.2.2 Các phương pháp giải bài toán thấm [8] 29

2.2.2.1 Phương pháp thủy lực 29

2.2.2.2 Các phương pháp số 32

* Phương pháp sai phân hữu hạn (PPSPHH) 32

* Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) 32

2.2.3 Lựa chọn phương pháp giải bài toán thấm và phần mềm tính toán 32

2.2.3.1 Lựa chọn phương pháp giải 32

2.2.3.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 33

2.3 Phân tích ổn định, các phương pháp tính ổn định và lựa chọn phương pháp tính[7] 35

2.3.1 Phân tích ổn định 35

2.3.1.1 Bài toán ổn định trượt của mái dốc 35

2.3.2 Các phương pháp giải bài toán ổn định trượt của mái dốc 37

2.3.2.1 Phương pháp phân thỏi 37

2.3.2.2 Phương pháp Fellenius (phương pháp thông dụng) 44

2.3.2.3 Phương pháp Bishop đơn giản 46

2.3.2.4 Phương pháp Janbu tổng quát 48

2.3.3 Lựa chọn phương pháp giải và phần mềm tính toán 51

2.4 Các giải pháp xử lý sạt trượt mái đê, kè [3] 51

2.4.3.1 Kè lát mái 52

2.4.3.2 Vải địa kỹ thuật 52

2.4.3.3 Neo trong đất 53

2.4.3.4 Dùng cọc để ổn định mái dốc (Piled - Slope) 53

2.4.3.5 Đắp khối phản áp tại chân mái dốc và căn chỉnh độ dốc mái đê 54

2.4.3.6 Trồng cỏ mái đê 54

2.4.3.7 Tiêu thoát nước mái đê 55

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ SẠT TRƯỢT MÁI KÈ QUY PHÚ TUYẾN ĐÊ HỮU HỒNG, TỈNH NAM ĐỊNH 56

3.1 Giới thiệu về kè Quy Phú và đặc điểm địa hình, địa chất của tuyến đê 56

3.1.1 Giới thiệu về kè Quy Phú 56

3.1.2 Đặc điểm địa hình, địa chất kè Quy Phú 57

3.1.2.1 Địa hình, địa mạo 57

3.1.2.2 Đặc điểm Địa tầng 57

3.1.2.3 Đặc điểm địa chất công trình 57

3.2 Hiện trạng và đánh giá hiện trạng 59

3.3 Đề xuất giải pháp xử lý và tính toán 63

3.3.1 Đề xuất giải pháp xử lý 63

3.3.2 Tính toán 64

3.3.2.1 Tính toán khi chưa có giải pháp xử lý 64

* Sơ đồ tính toán 65

* Kết quả tính toán thấm 65

* Kết quả tính toán ổn định 68

3.3.2.2 Tính toán khi có giải pháp đề xuất 73

* Sơ đồ tính toán 73

* Kết quả tính toán thấm 74

* Kết quả tính toán ổn định 76

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

1 Kết quả đạt được của luận văn 79

2 Những tồn tại của luận văn 80

3 Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 80

DANH M ỤC HÌNH

Hình 1.1 Mặt cắt ngang đặc trưng của đê 8

Hình 1.2 Xói lở chân đê 9

Hình 1.3 Sự cố đê trên nền đất yếu 10

Hình 1.4 Sự cố thấm ở chân mái hạ lưu 10

Hình 1.5 Sự cố do khuyết tật trong thân đê 11

Hình 1.6 Sự cố ở vùng nối tiếp khi tôn cao 11

Hình 1.7 Mạch sủi ở hạ lưu đê 12

Hình 1.8 Sự cố trên tuyến đê Hữu Hồng, tỉnh Nam Định 17

Hình 2.1 Vận động của nước dưới đất 20

Hình 2.2 Sơ đồ các pha của đất 21

Hình 2.3 Gradient áp lực và hút dính qua một phân tố đất 21

Hình 2.4 Năng lượng tại điểm A theo phương Y 22

Hình 2.5 Cột nước của đất bão hòa và không bão hòa 25

Hình 2.6 Dòng thấm đi trong một phân tố đất bão hòa và không bão hòa 26

Hình 2.7 Đường cong đặc trưng nước-đất 27

Hình 2.8 Quan hệ giữa hệ số thấm và độ hút dính 28

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán theo phương pháp thủy lực 29

Hình 2.10 Sơ đồ tính theo phương pháp phân đoạn của N.N.Páp-lốp-sky 30

Hình 2.11 Sơ đồ tính theo phương pháp đường dòng trung bình P.A.Săng-kin 30

Hình 2.12 Sơ đồ tính theo phương pháp thay thế mái thượng lưu nghiêng bằng mái thượng lưu thẳng đứng 31

Hình 2.13 Miền thấn được chia thành các phần tử tam giác, tứ giác 33

Hình 2.14 Phần tử tam giác và phần tử tứ giác 33

Hình 2.15 Các dạng di chuyển của khối đất đá 36

Hình 2.16 Các lực tác dụng và mặt cắt hình học mái dốc với mặt trượt trụ tròn 40

Hình 2.17 Các lực tác dụng và mặt cắt hình học mái dốc với mặt trượt hỗn hợp 40

Hình 2.18 Các lực tác dụng và mặt cắt hình học mái dốc với mặt trượt bất kỳ 41

Hình 2.19 Mặt trượt trụ tròn 45

Hình 2.20 Các lực tác dụng trong phương pháp thông dụng 45

Hình 2.21 Dạng mặt trượt trụ tròn 46

Hình 2.22 Các lực tác dụng vào dải trượt theo phương pháp Janbu khái quát 49

Hình 2.23 Ảnh hưởng vùng nứt nẻ đến hàm

E

X

trong phương pháp Janbu tổng quát 51

Hình 2.24 Cấu tạo kè lát mái 52

Hình 2.25 Trải vải địa kỹ thuật làm tầng lọc mái kè 53

Hình 2.26 Phương pháp neo trong đất 53

Hình 2.27 Gia cường mái đất bằng cọc 53

Hình 2.28 Đắp khối phản áp 54

Hình 2.29 Căn chỉnh độ dốc mái đê 54

Hình 2.30 Trồng cỏ mái đê 55

Hình 3.1 Sông Hồng đoạn chảy qua địa huyện Trực Ninh 56

Hình 3.2 Mặt cắt ngang địa chất công trình kè Quy Phú 60

Hình 3.3 Lượng mưa các ngày tháng 5 tại trạm Nam Định 60

Hình 3.4 Lượng mưa các ngày tháng 6 tại trạm Nam Định 61

Hình 3.5 Lượng mưa các ngày tháng 7 tại trạm Nam Định 61

Hình 3.6 Lượng mưa các ngày tháng 8 tại trạm Nam Định 61

Hình 3.7 Mực nước sông Hồng tại trạm Nam Định 62

Hình 3.8 Sức kháng cắt của đất không bão hòa [7] 62

Hình 3.9 Mặt cắt ngang kè có kết cấu lát mái hộ chân bằng rồng đá lưới thép kết hợp với lăng thể đá hộc 63

Hình 3.10 Miền tính toán và lưới phần tử tính toán 65

Hình 3.11 Các đường đẳng thế tại thời điểm 0h ngày 14 tháng 9 năm 2012 - trường hợp 1 66

Hình 3.12 Các đường đẳng thế tại thời điểm 6h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường hợp 1 66

Hình 3.13 Các đường đẳng thế tại thời điểm 12h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường hợp 1 66

Hình 3.14 Các đường đẳng thế tại thời điểm 18h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường hợp 1 67

Hình 3.15 Các đường đẳng thế tại thời điểm 0h ngày 14 tháng 9 năm 2012 – trường hợp 2 67

Hình 3.16 Các đường đẳng thế tại thời điểm 6h ngày 14 tháng 9 năm 2012 - trường hợp 2 67

Hình 3.17 Các đường đẳng thế tại thời điểm 12h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường hợp 2 68

Hình 3.18 Các đường đẳng thế tại thời điểm 18h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường

hợp 2 68Hình 3.19 Quan hệ giữa hệ số an toàn, FS và thời gian của hai trường hợp 1 và 2 69Hình 3.20 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 0h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường hợp 1 69Hình 3.21 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 6h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường hợp 1 70Hình 3.22 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 12h ngày 14 tháng 9 năm 2012-trường

hợp 1 70Hình 3.23 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 18h ngày 14 tháng 9 năm 2012-trường

hợp 1 71Hình 3.24 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 0h ngày 14 tháng 9 năm 2012-trường hợp 2 71Hình 3.25 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 6h ngày 14 tháng 9 năm 2012-trường hợp 2 72Hình 3.26 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 12h ngày 14 tháng 9 năm 2012-trường

hợp 2 72Hình 3.27 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 18h ngày 14 tháng 9 năm 2012- trường hợp 2 73Hình 3.28 Sơ đồ tính toán giải pháp đề xuất 74Hình 3.29 Các đường đẳng thế tại thời điểm 0h ngày 14 tháng 9 năm 2012- giải pháp

đề xuất 74Hình 3.30 Các đường đẳng thế tại thời điểm 6h ngày 14 tháng 9 năm 2012- giải pháp

đề xuất 75Hình 3.31 Các đường đẳng thế tại thời điểm 12h ngày 14 tháng 9 năm 2012- giải pháp

đề xuất 75Hình 3.32 Các đường đẳng thế tại thời điểm 18h ngày 14 tháng 9 năm 2012- giải pháp

đề xuất 75Hình 3.33 Quan hệ giữa hệ số an toàn, FS và thời gian của giải pháp đề xuất 76Hình 3.34 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 0h ngày 14 tháng 9 năm 2012 –

giải pháp đề xuất 76Hình 3.35 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 6h ngày 14 tháng 9 năm 2012 –

giải pháp đề xuất 77Hình 3.36 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 12hngày 14 tháng 9 năm 2012 –

giải pháp đề xuất 77

Hình 3.37 Cung trượt nguy hiểm nhất tại thời điểm 18h ngày 14 tháng 9 năm 2012 –

giải pháp đề xuất 78

Bảng 1-1 Sự cố tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định từ 2000÷2012 15Bảng 2.1 Các giả thiết của một số phương pháp đại biểu 43Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 58

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Hệ thống đê điều của nước ta đã được hình thành và phát triển từ hàng nghìn năm nay

Hệ thống đê điều đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc phòng chống lũ và

giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ an toàn cho các trung tâm văn hóa, chính trị, kinh tế, các vùng dân cư và đất đai rộng lớn trải dài theo các triền sông từ Bắc đến Nam Lịch sử xây dựng đất nước của cha ông ta qua các thời kỳ đều rất quan tâm đến xây dựng và

củng cố hệ thống đê điều Hiện nay, hàng năm nhà nước đang phải đầu tư hàng nghìn

tỷ đồng để củng cố và nâng cấp hệ thống đê điều, cho thấy hệ thống đê điều của nước

ta còn tồn tại nhiều vấn đề kỹ thuật cần được nghiên cứu để đảm bảo an toàn ổn định Nam Định là tỉnh đồng bằng ven biển thuộc Châu thổ sông Hồng chịu ảnh hưởng trực

tiếp thủy triều Vịnh Bắc Bộ với chế độ nhật triều, xung quanh bao bọc bởi nhiều sông

lớn: sông Hồng, sông Đào, sông Đáy và sông Ninh Cơ Hệ thống đê điều tỉnh Nam Định với chiều dài 663 km Trong đó đê cấp I đến cấp III là 365 km và 298 km đê dưới cấp III Do đó hệ thống đê điều có vai trò rất quan trọng vì hầu hết dân cư và diện tích đất tự nhiên của tỉnh đều nằm trong vùng bảo vệ của các tuyến đê trên

Hệ thống đê điều tỉnh Nam Định được hình thành từ lâu đời, qua nhiều giai đoạn tu bổ,

hiện còn nhiều tồn tại, tiềm ẩn nhiều nguy cơ không thể lường trước được Nhiều đoạn

đê chưa đảm bảo cao trình và mặt cắt theo yêu cầu chống lũ, địa chất nền đê yếu chưa được sử lý thường xuất hiện đùn, sủi uy hiếp đến an toàn của đê, vật liệu đắp đê có hàm lượng pha cát nhiều, nhất là thời kỳ trước kia đất đắp đê lẫn nhiều tạp chất, thiếu tính đồng nhất vì vậy thường xuất hiện sự cố thẩm lậu mái đê phía đồng, sạt lở mái đê phía sông Đặc biệt là đối với sông Hồng, lòng sông nhiều đoạn hẹp, dòng chảy tiến sát chân đê, luôn có diễn biến xói lở phức tạp, khó lường khi gặp tổ hợp bất lợi lũ cao có gió bão mạnh sẽ gây nguy hiểm thường xuyên đe doạ đến an toàn của đê, khiến cho công tác hộ đê ở Nam Định rất căng thẳng, vất vả và tốn kém

Tuyến đê hữu Hồng trên địa bàn tỉnh Nam Định dài 63km từ K156+621÷ K219+702, đầu tuyến tiếp giáp với tỉnh Hà Nam, cuối tuyến tiếp giáp với K0 đê biển Giao Thủy có nhiệm vụ bảo vệ các khu dân cư và diện tích đất tự nhiên trên địa bàn 6 huyện, thành

phố gồm: huyện Mỹ Lộc, thành phố Nam Định, Nam Trực, Trực Ninh, Xuân Trường và huyện Giao Thủy Là một trong những tuyến đê quan trọng trong hệ thống đê điều Nam Định cũng như cả nước Vì vậy, sự an toàn bền vững của tuyến đê có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với yêu cầu ổn định và phát triển dân sinh - kinh tế - quốc phòng và toàn

bộ vật chất, cơ sở hạ tầng kinh tế-xã hội của một vùng đất rộng lớn

Toàn bộ tuyến đê nằm trên nền đất sa bồi chỉnh thể Sông Hồng Chủ yếu là nền đất

yếu Trên tuyến đã xây dựng 32 cống qua đê và 24 kè bảo vệ mái tại những vị trí xung

yếu Theo báo cáo của chi cục đê điều và PCLB tỉnh Nam Định trong những năm gần đây do ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu và nước biển dâng, tình trạng khai thác cát trái phép, mực nước các sông hạ du bị hạ thấp, lòng sông bị xói sâu dẫn đến hàng loạt đoạn đê và kè bảo vệ mái bị sạt trượt Hàng năm trên tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định xuất hiện hàng chục sự cố, tiêu tốn vốn ngân sách Nhà nước và địa phương hàng trăm tỷ đồng để tiến hành tu bổ và sửa chữa

Nghiên cứu, phân tích đánh giá được các nguyên nhân gây ra sự cố sạt trượt mái đê,

kè trên tuyến đê hữu sông Hồng, tỉnh Nam Định

Đề xuất giải pháp khắc phục sự cố sạt trượt đảm bảo an toàn đê điều, phục vụ tốt công tác phòng chống lụt bão Ứng dụng kết quả nghiên cứu đề xuất giải pháp xử lý kè Quy Phú

Đối tượng nghiên cứu: tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định

Phạm vi nghiên cứu: Trong khuôn khổ thời gian nghiên cứu có hạn, đề tài tập trung vào nghiên cứu xác định nguyên nhân gây ra sự cố sạt trượt mái đê, kè tuyến đê Hữu

Hồng, tỉnh Nam Định

4 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

Tiếp cận trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân khoa học hay các phương tiện thông tin đại chúng để nắm được nguyên nhân gây sạt trượt mái đê, kè tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định

Sử dụng các thông tin và tài liệu về địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn, các sự cố

của tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định trong những năm gần đây nhằm đánh giá nguyên nhân gây sạt trượt mái đê, kè tuyến đê hữu Hồng tỉnh Nam Định

Sử dụng mô hình toán của các bài toán thấm, bài toán ổn định mái dốc dùng trong nghiên cứu

Quan sát khoa học, chuyên gia, tổng kết thực tiễn:

Tổng hợp, phân tích các sự cố sạt trượt mái đê, kè trên tuyến đê hữu sông Hồng, tỉnh Nam Định

Phân tích nguyên nhân gây ra sự cố trên cơ sở về giải bài toán thấm và bài toán

ổn định Đề xuất giải pháp xử lý sự cố, ứng dụng phân tích đánh giá cho kè Quy Phú

Phân tích, đánh giá được các nguyên nhân gây ra sự cố sạt trượt mái đê, kè trên tuyến

đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định

Từ đó đưa ra đề xuất các giải pháp công trình xử lý sự cố sạt trượt mái đê, kè để đảm

bảo an toàn đê điều, phục vụ tốt cho công tác phòng chống lụt bão

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ SÔNG HỒNG VÀ SỰ CỐ ĐÊ

1.1.1 L ịch sử hình thành [11]

Hệ thống đê sông ban đầu được hình thành từ các gờ đất ven sông Những năm nước

lớn, các gờ đất ven sông không đủ sức ngăn lũ, nước tràn qua gờ ngập vào phía trong

Để ngăn nước nhân dân đã giữ những gờ đất làm cốt tôn cao, áp trúc dần lên thành đê

và xây dựng các cống qua đê để lấy nước, tiêu nước ổn định cả mùa khô lẫn mùa lũ Vào các năm lũ lớn, những chỗ xung yếu bị tràn hoặc bị vỡ đã được quai lại hoặc nhô

ra phía sông hoặc lùi vào phía đồng tránh hố xói sâu Do diễn biến dòng chảy, xu thế dòng sông và những con lũ lớn làm cho bờ xói lở, nên nhân dân tìm cách bảo vệ đê không bị sạt lở, hệ thống đê kè từng bước được hình thành

Lịch sử ghi nhận quá trình hình thành hệ thống đê điều Việt Nam từ thời Lý-Trần, vừa

mới lên ngôi Lý Công Uẩn vị vua đầu tiên của một triều đại được đánh giá là "mở đầu công việc xây dựng đất nước bước vào quy mô lớn, đặt nền tảng vững chắc và toàn

diện cho sự phát triển của dân tộc và của quốc gia phong kiến độc lập" Đắp đê trị thủy

đã trực tiếp ảnh hưởng đến quyền lợi của quốc gia không thể phó mặc cho sự tự phát

của dân chúng Đến năm 1077 triều đình đứng ra chủ trương đắp những con đê quy mô

lớn Theo Việt sử lược, thì năm 1077 nhà Lý cho đắp đê sông Như Nguyệt (Sông Cầu) dài 67.380 bộ (khoảng 30 km)

Sang đến đời Trần đã cho đắp thêm theo từng tuyến sông chính từ đầu nguồn ra đến

biển, tôn cao đắp to những đoạn đã có, đắp thêm những đoạn nối, cải tạo một số tuyến vòng vèo bất hợp lý Về cơ bản những tuyến đê đó gần giống như ngày nay, nhất là tuyến đê sông Hồng Về kỹ thuật đắp đê thời kỳ này có tiến bộ nhảy vọt, tạo nên thế nước chảy thuận hơn mặt khác cũng phải có những hiểu biết về kỹ thuật nhất định mới

có thể xác định được tuyến đê, chiều cao đê từng đoạn cho phù hợp với đường mặt nước lũ Ngoài việc đắp đê nhà Trần còn rất coi trọng công tác hộ đê phòng lụt, đặt thành trách nhiệm cho chính quyền các cấp “Năm nào cũng vậy, vào tháng sáu, tháng

bảy (mùa lũ) các viên đê sứ phải thân đi tuần hành, thấy chỗ nào thấp phải tu bổ ngay,

nếu không làm tròn phận sự để đến nỗi trôi dân cư, ngập lúa mạ, sẽ tùy tội nắng nhẹ

mà khiển phạt” Các triều đại nhà Lê, Trịnh và Nguyễn sau này dựa vào đó mà tiếp tục phát triển hệ thống đê điều đã có và phát triển tiếp lên Theo sách Đại Nam thực lục thì dưới triều Nguyễn năm đó vua còn cho đắp bảy đoạn đê mới ở Bắc Bộ Đến tháng 9 năm 1809, triều Nguyễn đã ban hành điều lệ về đê điều ở Bắc Bộ với các quy định rất

chặt chẽ về việc kiểm tra, phòng chống lũ và gia cố hệ thống đê điều hàng năm

Sau hiệp ước Quý Mùi (1883) và hiệp ước Patanốt (1885) nước ta hoàn toàn chịu sự

bảo hộ của thực dân Pháp Ngay từ những ngày đầu của nền đô hộ, chính quyền bảo

hộ Pháp phải đối mặt với nạn lụt ở Bắc Kỳ Đặc biệt sau trận lũ 1888 đã gây thiệt hại

nặng nề cho đồng bằng sông Hồng và sông Đuống thuộc địa hạt tỉnh Bắc Ninh Ngày 28/6/1895 toàn quyền Đông Dương Rutsô ra nghị định thành lập Uỷ ban đê điều tối cao tại Hà Nội Nhiệm vụ nghiên cứu tổng thể mạng lưới đê điều hiện có ở Bắc Kỳ Đệ trình lên toàn quyền Đông Dương những dự án có liên quan đến các quy chế kỹ thuật

và quản lý đê điều Uỷ ban này được nhóm họp vào các năm 1896, 1904, 1905 1906,

1915, 1926 Trong giai đoạn từ 1885 đến 1915 chính quyền bảo hộ Pháp đã đắp thêm

một số vùng để bảo vệ cho những đô thị đông đúc và nhất là có nhiều người Pháp và

cơ sở kinh tế của Pháp Đó là hệ thống đê La Thành bao quanh Hà Nội, hệ thống đê bao quanh thành phố Nam Định

Sự hình thành hệ thống đê điều thể hiện sự đóng góp, cố gắng của nhân dân trong suốt nhiều thế kỷ qua Mặc dù tại một số nơi đê còn chưa đảm bảo tính ổn định cao đối với

lũ lớn tuy vậy vai trò bảo vệ của các tuyến đê sông hay hệ thống đê biển là rất to lớn

và không thể phủ nhận Hàng năm, hệ thống đê này đều được đầu tư củng cố, nâng

cấp, đặc biệt là đối với đê sông sau khi xảy ra lũ lớn đã từng bước củng cố vững chắc đáp ứng được yêu cầu chống lũ đặt ra của từng thời kỳ

Cho đến những năm gần đây một số tuyến đê bị vỡ khi có lũ lớn hoặc một số nơi sông

có sự đổi dòng hoặc phát triển thêm, việc lựa chọn tuyến đê mới được chú ý đầy đủ đến các điều kiện kỹ thuật Tuyến đê hiện có được hình thành trong quá trình phát triển, không có sự lựa chọn tuyến một cách chặt chẽ về các điều kiện địa hình, địa chất

và dòng chảy

1.1.2.2 Địa hình hai bên ven đê

Nhìn tổng thể địa hình có xu thế thấp dần từ thượng nguồn về phía biển với bề mặt nghiêng từ Tây Bắc-Đông Nam Bề mặt địa hình ven đê phía đồng ít thay đổi nhưng do tác động của con người theo thời gian bị phân cắt chủ yếu do việc lấy đất đắp đê tạo thành thùng đấu hoặc các hồ, đầm lớn do hậu quả của những lần vỡ đê

Địa hình ven đê phía sông thay đổi theo thời gian tùy thuộc chế độ dòng chảy và lượng phù sa các bãi bồi có nơi được tôn cao và mở rộng nhưng có nơi bị bào mòn và xói lở Các thềm sông, bãi bồi ở đồng bằng Bắc bộ có lịch sử hình thành gắn liền với quá trình tạo thành các lớp tạo bồi tích trẻ kỷ đệ tứ (aQ3IV)

Đất cấu tạo nên thềm sông ở đây là sét, sét pha nặng, đôi chỗ bị latêrit hóa, phía trên là

á sét nhẹ có lẫn ít cuội sỏi kết cấu hơi xốp Từ các vùng tiếp giáp các vị trí nói trên kéo dài qua đồng bằng ra biển tồn tại chủ yếu là các bãi bồi Đất cấu tạo nên bãi bồi từ dưới lên gặp phổ biến là cát, cát pha có nơi là bùn sét hữu cơ được phủ bởi lớp sét pha hoặc sét, trên cùng (ở phía ngoài đê) là lớp phù sa trẻ màu xám nâu

1.1.3 C ấu trúc địa chất và tính chất địa chất công trình của các lớp đất ở nền đê [1]

Các lớp đất ở nền đê có nguồn gốc bồi tích hiện đại kỷ đệ tứ, phân bố từ trên xuống

dưới như sau:

- Lớp phù sa: Phủ trực tiếp trên các giải địa hình ven đê phía sông có bề dày trung bình 2- 2,5 m

- Đất sét pha mầu nâu gụ: Tầng đất này phân bổ hầu hết dưới nền đê dọc các tuyến sông chính

- Đất sét màu xám xanh: Tầng đất này phân bổ dưới nền đê vùng đồng bằng ở độ sâu 2,5m kể từ mặt đất tự nhiên, với độ dày trung bình 2 - 4 m

- Bùn sét và bùn sét hữu cơ: Tầng này được tạo thành chủ yếu ở những vùng trũng, các

cửa sông, đáy hồ và đầm lầy hoặc ở những lòng sông cổ, tạo thành các thấu kính bùn khá dày 5-10m, độ sâu phân bố cách mặt đất 3-5 m

- Cát pha màu xám nâu - xám sẫm: Phân bố ở độ sâu 3-5 m với diện tích phân bố hẹp, không liên tục

- Cát: Phân bố ở hầu hết dưới nền đê với bề dày khá lớn, có tính thấm lớn Những nơi cát phân bố sâu, về mùa lũ tầng cát này tàng trữ nước có áp cục bộ Đối với công trình, đây là điều bất lợi về biến dạng thấm

-Sét loang lổ: Tầng sét này có bề dày khá lớn phân bổ hầu hết ở trung tâm đồng bằng

Bắc bộ với bề dày tăng dần ra phía biển, phân bố ở độ sâu 10-30m

1.1.4 Đặc điểm địa chất thủy văn [1]

Ảnh hưởng của điều kiện địa chất thủy văn đối với các loại công trình xây dựng có

mức độ khác nhau Đối với nền các tuyến đê, chủ yếu chú ý tới sự có mặt của nước

ngầm tàng trữ trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ trên xuống Nước ngầm ở tầng chứa nước có quan hệ với nước mặt: dâng cao về mùa mưa và hạ thấp về mùa khô Biên độ dao động của nước ngầm giữa mùa kiệt và mùa lũ là 4-5 m

Quá trình vận động của dòng ngầm có thể mang theo các hạt có đường kính nhỏ, lượng cát do nước mang theo tùy thuộc áp lực dòng thấm

Quá trình này lặp đi lặp lại trong nhiều năm sẽ làm cho nền đê bị biến dạng ở những

nền đê có cát, lớp phủ phía đồng bằng không đủ dầy để thắng áp lực dòng thấm sẽ xuất

hiện các mạch sủi, bãi sủi

1.1.5 C ấu tạo thân đê và sự làm việc của đê [1]

Thân đê được tôn cao, mở rộng trong quá trình hình thành và phát triển của hệ thống

đê Có cả một quá trình đắp thân đê từ các loại đất không được chọn lựa, việc đầm nện cũng không theo quy chuẩn Do vậy thân đê có tính không đồng nhất cao Ngoài ra thân đê còn chịu tác động xấu của các động vật đào hang (chuột, mối) tạo thành các

hốc hoặc lỗ rỗng trong đó Đây là một hiểm hoạ khó lường

Khác với đập, đê là công trình làm việc theo mùa Nhiều đoạn đê trong mùa khô thực

chất chỉ là đường Đê chỉ làm việc ngăn và chắn nước trong mùa lũ Thời gian làm

việc trong năm của đê không nhiều Ngay trong mùa lũ, điều kiện làm việc của đê không chỉ phụ thuộc mực nước lũ mà còn phụ thuộc thời gian ngâm lũ dài hay ngắn

Thời gian của lũ lên và thời gian lũ xuống cũng là những yếu tố cần quan tâm khi xem xét điều kiện làm việc của đê

1.1.6 M ặt cắt ngang đặc trưng của đê [1]

Từ những đặc điểm của đê đã nêu trên, chú ý nhiều đến các đặc điểm về địa hình, địa

chất và thực tế làm việc của đê, có thể nêu ra một mặt cắt ngang đại diện của đê như sau: (hình 1.1)

Hình 1.1 Mặt cắt ngang đặc trưng của đê

- Thân đê chịu tác dụng của cột nước H trong mùa lũ; chiều rộng đáy đê: B

- Mực nước sông mùa lũ (MNL) ngập trên bãi bồi

- Mực nước sông mùa kiệt (MNK), nói chung thấp dưới đáy lớp phủ

1.2 Các s ự cố đê và nguyên nhân gây sự cố

1.2.1 Các s ự cố đê

1.2.1.1 Xói l ở chân đê

Hiện tượng xói lở chân đê thường xảy ra đối với đê nằm quá gần lòng dẫn, ở đó dòng

chủ lưu của sông áp sát bờ gây tác dụng vào chân đê làm xói lở và nhiều trường hợp làm sập mái thượng lưu Hiện tượng xói lở mạnh xảy ra ở những đoạn bờ cong lõm

của những đoạn sông cong (hình 1.2)

Hình 1.2 Xói lở chân đê

1.2.1.2 S ự cố đê trên nền đất yếu

Do đê được đặt trên nền đất yếu, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân đê làm cho

nền đất yếu vượt qua sức chịu tải nên đê có xu hướng trượt ở cả hai mặt thượng lưu và

hạ lưu Trong thời gian lũ đê sẽ bị trượt mái hạ lưu khi dòng thấm dâng cao đến giới

hạn nguy hiểm, ngược lại mái thượng lưu sẽ bị trượt trong quá trình lũ xuống Trượt mái đê trên nền đất yếu thường kéo theo cả phần nền cùng trượt ( hình 1.3)

Hình 1.3 Sự cố đê trên nền đất yếu

Dòng thấm khi chảy ra ở mái hạ lưu có khả năng mang theo đất từ thân đê ra ngoài

Hiện tượng thấm qua thân đê sẽ dẫn đến sự sụt mái vùng cửa ra và trượt mái hạ lưu đê (hình 1.4)

Hình 1.4 Sự cố thấm ở chân mái hạ lưu

1.2.1.4 Khuy ết tật trong thân đê

Những khuyết tật trong thân đê thường là kết quả của phương pháp đắp đê Đó là sự đắp theo tầng mà trong thân đê tồn tại đường thấm tập trung, khuyết tật trong thân đê còn là kết quả sự hoạt động của sinh vật, động vật sinh sống trong thân đê Trong quá trình khai thác, làm việc của đê cũng có thể hình thành những khuyết tật, đó là kết quả

của hiện tượng xói ngầm cơ học Dòng thấm trong thân đê có vận tốc lớn, tạo ra dòng

chảy nhanh, mạnh theo hướng nối liền khuyết tật với nhau dẫn tới vỡ đê ( hình 1.5)

Hình 1.5 Sự cố do khuyết tật trong thân đê

1.2.1.5 S ự cố ở vùng nối tiếp khi tôn cao

Do quá trình nâng cấp, cải tạo đê cần tôn cao đắp mở rộng đê, đê được đắp dày, vùng

nối tiếp giữa phần đê mới đắp và đê cũ nếu không có biện pháp xử lý tốt, khi đưa vào

sử dụng thì thấm rất dễ chảy qua, tạo thành đường thấm mạnh dọc theo khe nối tiếp

Hiện tượng này sẽ dẫn đến hiện tượng trượt toàn khối mới đắp về phía hạ lưu ( hình 1.6)

Hình 1.6 Sự cố ở vùng nối tiếp khi tôn cao

Mạch thấm rỉ xuất hiện rải rác ở thân đê hay nền đê, nước thấm ra với tốc độ và lưu lượng nhỏ và hầu như không mang theo các hạt khoáng Sự xuất hiện của mạch thấm rỉ

ít gây nguy hiểm cho nền đê nhưng có ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của nền đê như gây sạt lở mái đê, cơ đê, là tiền đề cho mạch phun, mạch sủi phát triển 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

Hình 1.7 Mạch sủi ở hạ lưu 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 Kích thước mặt sủi quan sát được từ vài cm

tới hàng chục cm 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 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 xung yếu thành hố sủi hay bãi sủi

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 nước 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 xung yếu của một đoạn đê phải gắn với việc phân loại nền đê theo quan điểm về biến dạng thấm

1.2.2 Nguyên nhân gây s ự cố đê

Xác định những nguyên nhân gây hư hỏng đê là nhu cầu cấp thiết từ thực tế và rất khó

do đê thường xuyên chịu tác dụng của nhiều yếu tố Các yếu tố tham gia vào quá trình gây ra sự cố rất đa dạng và tỷ phần tham gia của các yếu tố rất khác nhau Việc xác định được những nguyên nhân chủ yếu gây ra sự cố đê là rất cần thiết để đưa ra các

biện pháp xử lý, sửa chữa cho những đoạn đê hư hỏng Trong nhiều trường hợp quá trình hư hỏng xảy ra ở sâu trong thân đê hoặc trong nền đê và không có một dấu hiệu

nào biểu hiện ra bên ngoài làm hạn chế việc nghiên cứu nguyên nhân gây hư hỏng đê

Đó là đặc điểm nổi bật của chúng

1.2.2.1 Địa chất nền đê và vật liệu đắp đê

- Hệ thống đê được hình thành từ lâu đời và thường nằm trên nền đất yếu, trải qua nhiều lần tu bổ, địa chất nền đê không đồng nhất, nên khi có lũ cao, thời gian ngâm lũ ngâm lâu và gặp tổ hợp có gió bão lớn sẽ không tránh khỏi xảy ra sự cố sạt trượt ở một

số vị trí

- Trong quá trình tu bổ, đắp mở rộng, tôn cao, áp trúc mái đê, đê thường được đắp

bằng vật liệu tại chỗ, chủ yếu là đất thịt pha cát, pha sét… nên khi bề mặt và mái không được bảo vệ dễ bị xói hoặc sạt lở do tác động của nước mưa, nước mặt và sóng

Sóng là tác nhân chính gây ra sự mất ổn định và sự sạt lở bờ sông, bờ biển đồng thời cũng là nguyên nhân chính sinh ra dòng ven bờ vận chuyên bùn cát gây sói lở, sạt trượt bờ sông, bờ biển Gió là sản phẩm của các quá trình khí tượng Gió thổi trên mặt sông tạo ra sóng và nước dâng Bão là trạng thái nhiễu động của khí quyển và là một

loại hình thời tiết cực đoan Khi có bão xuất hiện thường kéo theo một loạt hiện tượng

thời tiết bất lợi như mưa to, gió lớn, giông, lốc xoáy…

Do quy luật vận động tự nhiên của lòng sông, các hiện tượng sạt lở, bồi lắng thường

xảy ra ở những đoạn sông cong, các cửa phân lưu, nhập lưu, các cửa sông phân lạch, nơi giao thoa giữa dòng chảy trong sông và dòng triều là những nơi dòng chảy không

ổn định Phía bờ lõm do dòng chảy chủ lưu áp sát bờ, khi vận tốc dòng chảy lớn hơn

vận tốc khởi động của đất cấu tạo bờ sông sẽ gây sạt lở, phạm vi sạt lở thường phát triển từ thượng lưu về hạ lưu Ngoài ra, sạt lở cũng có thể xuất hiện dọc theo bờ của

một con sông trong trạng thái cân bằng động Việc xây dựng các hồ chứa gây nên sự

biến dổi dòng chảy,sự vận chuyển bùn cát trong sông về cả mùa khô lẫn mùa mưa

Do sức ép về dân số, nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội, sự quản lý chưa chặt chẽ nên

việc vi phạm, lấn chiếm bãi sông, lòng dẫn để xây dựng công trình, nhà cửa, đổ chất

thải, vật liệu lấn chiếm lòng sông, việc phát triển tự phát trên các tuyến đê sông, bờ bao không theo quy hoạch, ngày càng tăng đã làm thay đổi chế độ dòng chảy, chất

tải lên bờ sông làm gia tăng diễn biến sạt lở bờ sông

1.2.2.5 Do khai thác cát, s ỏi lòng sông trái phép

Khai thác cát, sỏi lòng sông là việc làm tất yếu phục vụ nhu cầu xây dựng đang ngày càng phát triển, nếu khai thác theo đúng quy hoạch, đúng phép có tác dụng rất tích cực cho thoát lũ, ổn định lòng dẫn và giao thông thuỷ Tuy nhiên, hiện việc cấp giấy phép,

quản lý khai thác cát, sỏi lòng sông hiện còn rất nhiều khó khăn, đặc biệt là các đoạn sông tại vùng giáp gianh giữa hai tỉnh, chế tài hiện chưa đủ mạnh và chưa có sự phối

hợp đồng bộ của các địa phương nên việc khai thác trái phép, sai phép vẫn tiếp tục

diễn ra ở nhiều nơi đặc biệt có nơi việc khai thác cát trái phép ngay tại khu vực chân

đê và mái kè bảo vệ bờ sông gây sạt lở

Nam Định là một tỉnh thuộc đồng bằng ven biển nên sự ảnh hưởng của thủy triều là rất

lớn Thủy triều tại vùng biển Nam Định mang đặc tính chung của vùng biển Vịnh Bắc

Bộ là chế độ nhật triều, trong một ngày có một lần nước lên và một lần nước xuống,

diễn ra hầu hết các ngày trong tháng Biên độ thuỷ triều dao động từ 1,5-2m Hiện nay

do tình trạng biến đổi khí hậu và nước biển dâng, kết hợp với mực nước biển trong ngày dao động lên xuống liên tục nó gây ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của mái đê,

kè nhất là các khu vực đê cửa sông giáp biển

Sự xuyên sâu của rễ cây sẽ làm giảm các khả năng chống sự xuyên thủng thuỷ lực của các tầng chống thấm thân đê Sự hoạt động của các loại động vật như mối, chuột, đã

để lại những khuyết tật lớn trong thân đê và nền đê, làm giảm nhỏ tiết diện đê, thúc đẩy quá trình thấm và làm mất ổn định đê

Ngoài những nguyên nhân đã nêu trên cũng cần phải kể đến những nhân tố tuy không

phải là những nguyên nhân trực tiếp gây ra sự cố đê nhưng đã thúc đẩy quá trình hư

hỏng đó Một trong những nhân tố quan trọng là sự không đủ lớn của kích thước mặt

cắt ngang đê như sự quá nhỏ chiều rộng mặt đê, độ dốc mái quá lớn Nó làm cho quá trính thấm xẩy ra nhanh làm sự xói lở thêm trầm trọng dẫn đến sự mất ổn định mái

Việc theo dõi và thống kê một cách đầy đủ và toàn diện các sự cố đê điều ở ta nói chung và tỉnh Nam Định nói riêng chưa được tiến hành hoàn chỉnh, đặc biệt là các năm trước đây Trong luận văn tác giả đưa ra thống kê điển hình về sự cố đê điều một

số năm điển hình từ 2000÷2012 trên tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định

Bảng 1-1 Sự cố tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định từ 2000÷2012

Hình 1.8 Sự cố trên tuyến đê Hữu Hồng, tỉnh Nam Định

Qua phân tích, đánh giá tổng hợp số liệu của Chương I, tác giả nhận thấy: Trong

những năm gần đây nguyên nhân chủ yếu gây ra sự cố đê điều là tác dụng bất lợi của dòng thấm Dòng thấm qua thân, nền đê là thấm trong môi trường có cấu trúc phức

tạp Từ đó tác giả chọn vấn đề cần xem xét là: Tính thấm của đất dưới tác động của khí

hậu và các điều kiện thay đổi khác của môi trường làm giảm sức kháng cắt của đất dẫn đến mất ổn định của mái dốc khu vực đang xét, dựa trên cơ sở nghiên cứu cơ học đất cho đất không bão hòa

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH THẤM VÀ ỔN ĐỊNH

Nguyên nhân gây sạt trượt mái đê, kè của bờ sông rất nhiều Tuy nhiên có thể tổng

hợp theo hai nguyên nhân chính:

Nguyên nhân thứ nhất là do chế độ dòng chảy thay đổi làm cho bùn cát lòng sông bị

vận chuyển đi nơi khác dẫn đến sự hình thành các hố xói cục bộ Chính những hố xói

cục bộ này đã có tác động trực tiếp đến sự mất ổn định của mái đê, kè Điều này được

thể hiện rõ ràng nhất trong hiện tượng dòng chảy vòng hướng ngang phát triển mạnh

mẽ trong đoạn sông cong Sự phát triển dòng chảy vòng hướng ngang đã làm cho bờ lõm càng ngày càng bị xâm thực và dẫn tới sạt trượt và lõm thêm, bờ lồi càng ngày càng được bồi và dẫn tới lồi thêm Chính sự thay đổi hình thái bờ này đã làm cho chế

độ thủy lực hạ lưu sông thay đổi và dẫn tới sự thay đổi hình thái bờ sông ở đoạn kế tiếp

Nguyên nhân thứ hai là do sự mất cân bằng cục bộ ngay tại mái bờ sông Điều này được thể hiện ở sự gia tăng khả năng gây trượt và giảm nhỏ khả năng chống trượt Chính sự mất cân bằng này đã dẫn đến những phá hoại mái bờ sông như sạt lở, trượt

bờ sông Sự mất cân bằng này có nhiều nguyên nhân như: tác động của sóng gió, tàu

bè qua lại , mưa kéo dài làm đất bão hòa nước…

Theo Lomtadze V.D Các nguyên nhân gây trượt thường là: Tăng cao độ dốc của sườn

dốc khi cắt xén, khai đào hoặc xói lở, khi thi công mái quá dốc; giảm độ bền của đất

đá do biến đổi trạng thái vật lí như thay đổi độ ẩm, trương nở, giảm độ chặt, phong hoá, phá huỷ kết cấu tự nhiên, các hiện tượng từ biến trong đất đá; tác động của áp lực thuỷ tĩnh và thuỷ động lên đất đá, gây nên biến dạng thấm; biến đổi trạng thái ứng suất

của đất đá ở trong đới hình thành sườn dốc và thi công mái dốc; các tác động bên ngoài như chất tải trên sườn dốc, dao động địa chấn và vi địa chấn, Mỗi một nguyên nhân riêng biệt kể trên đều có thể làm mất cân bằng của các khối đất đá ở sườn dốc, nhưng thông thường là do tác động đồng thời của một số trong những nguyên nhân đó Theo diễn biến sạt trượt mái đê, kè tuyến đê hữu Hồng, tỉnh Nam Định nguyên nhân

chủ yếu do tác động của mưa Để tìm chi tiết nguyên nhân gây sạt trượt luận văn dựa

trên cơ sở nghiên cứu cơ học đất cho đất không bão hòa, tập trung đi vào vấn đề chính: tính chất thấm của đất dưới tác động của khí hậu và các điều kiện thay đổi khác của môi trường làm giảm sức kháng cắt của đất dẫn đến mất ổn định của mái dốc khu vực đang xét

2.2.1 Phân tích th ấm

Trong mùa lũ đê thường xuyên chịu tác dụng của áp lực nước tĩnh động, áp lực thấm,

áp lực kẽ hổng xuất hiện trong quá trình cố kết… Qua phân tích sự làm việc và tổng

kết quá trình xây dựng, khai thác đã thừa nhận rằng đê là công trình có nhiều vấn đề

phức tạp hơn cả Sự có mặt của dòng thấm trong thân đê và nền đê trong mùa lũ đã

dẫn đến sự cần thiết phải tăng kích thước mặt cắt ngang của chúng, cũng như đòi hỏi trong quá trình tôn cao áp trúc nghiêm ngặt, cho nên giá thành công trình cao hơn rất nhiều so với các công trình đất không chịu tác dụng của dòng thấm

Để hạn chế đến mức tối thiểu nhất các tác hại do dòng thấm gây ra mà vẫn đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật nhất thiết phải xác định được sự vận động của dòng thấm qua thân

và nền công trình Sự ra đời và phát triển của lý thuyết thấm đã đáp ứng đầy đủ những yêu cầu do thực tiễn sản xuất đòi hỏi Về lý thuyết thấm của nước trong đất và qui luật

vận động của dòng thấm qua công trình có nhiều tác giả đã nghiên cứu và giải quyết song song với việc hoàn thiện các lý thuyết tính toán thiết kế công trình Bên cạnh các

mô hình toán học kết hợp với phương pháp tính toán, phương pháp giải các bài toán trên mô hình vật lý và thực nghiệm cũng giữ vai trò quan trọng

Đến nay sự kết hợp giữa các phương pháp đã cho phép giải quyết được các bài toán

thực tế đặt ra, đưa đến cách nhìn nhận đánh giá điều kiện ổn định của công trình tin

cậy hơn Để đánh giá điều kiện ổn định của công trình trước hết phải giải quyết bài toán lý thuyết thấm trong môi trường xốp tạo bởi kết cấu công trình và nền Trên cơ sở

kết quả của lời giải vận dụng các điều kiện ổn định thấm của vật liệu và các tiêu chuẩn

an toàn để đánh giá điều kiện ổn định thấm chung cho toàn bộ công trình Giải quyết bài toán lý thuyết thấm đã có nhiều phương pháp giải

2.2.1.1 Bài toán th ấm

Đất được tạo thành bởi các hạt đất, các hạt đất tự xắp xếp tạo thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng, trong lỗ rỗng thường chứa nước và khí Như vậy, đất gồm ba thành phần

vật chất hợp thành: thể rắn (gồm các hạt đất) là chủ thể, thể lỏng (nước) và thể khí Dưới tác dụng của trọng lực, nước có thể xuyên qua lỗ rỗng trong đất để chuyển động như (hình 2.1)

Hình 2.1 Vận động của nước dưới đất Dòng thấm liên quan đến hiệu quả tích nước của đập, cống và liên quan đến hiệu quả

dẫn nước và tưới nước của kênh dẫn, bên cạnh đó còn liên quan đến ổn định Dòng

thấm có khả năng gây mất ổn định của khối đất dẫn đến phá hoại công trình

Đất bão hòa:

Đất bão hòa chỉ chứa hạt rắn và nước-lỗ rỗng chứa đầy nước, nên môi trường gồm 2 pha, độ bão hòa: Vn/Vr =1, độ chứa nước thể tích: θw=Vn/V=Vr/V= n, độ rỗng (n): n=Vr/V;

Đất không bão hòa:

Đất không bão hòa chứa hạt rắn, khí và nước: môi trường 3 pha, lỗ rỗng chứa cả khí và

nước, độ bão hòa: Vn/Vr <1, độ chứa nước thể tích: θw=Vn/V ; θw< n; độ rỗng (n): n=

Vr/V;

Hình 2.2 Sơ đồ các pha của đất

2.2.1.3 Dòng th ấm nước [7]

Trong đất không bão hòa, gradient hút dính đôi khi được xem như thế truyền động của dòng thấm nước Tuy nhiên, dòng thấm nước không phụ thuộc chủ yếu và duy nhất vào gradient hút dính (hình 2.3) giải thích ba trường hợp giả thiết ở nơi các gradient

áp lực khí và nước được kiểm soát qua một phân tố đất không bão hòa tại một cao trình cố định Trong các trường hợp đó, các áp lực hơi nước và khí ở phía bên trái lớn hơn áp lực ở phía bên phải

Hình 2.3 Gradient áp lực và hút dính qua một phân tố đất

Độ hút dính ở bên trái có thể nhỏ hơn ở bên phải (trường hợp 1), bằng bên phải (trường hợp 2) hoặc lớn hơn bên phải (trường hợp 3) Song dù gradient hút dính như

thế nào, để phản ứng lại gradient áp lực trong các pha riêng biệt, khí và nước sẽ thấm

từ trái sang phải Ngay cả trong trường hợp 2, nếu có gradient hút dính bằng không khí

và nước vẫn thấm

Dòng thấm có thể được xác định thích hợp hơn theo gradient cột nước thuỷ lực (tức là gradient cột nước áp lực trong trường hợp này) cho mỗi pha Do vậy, gradient hút dính không phải là thế truyền động cơ bản cho dòng thấm nước cho đất không bão hòa Trong trường hợp đặc biệt, nói gradient áp lực khí bằng không, gradient hút dính về trị

số bằng gradient áp lực trong nước Đó là tình hình phổ biến trong tự nhiên và có thể

là nguyên nhân cho việc đề nghị đưa dạng hút dính vào dòng nước thấm Tuy nhiên, sau đó phải bỏ đi thành phần cột nước cao trình

Dòng nước thấm qua đất không chỉ bị khống chế bởi gradient áp lực mà cũng còn bởi gradient do độ chênh cao trình Gradient áp lực và gradient cao trình được kết hợp lại

để cho một gradient cột nước thuỷ lực như là một thế truyền động cho dòng thấm trong pha này Điều này đúng cho cả đất bão hoà và không bão hòa

Thế truyền động của dòng nước thấm xác định năng lượng hay khả năng của dòng Năng lượng tại một điểm được tính theo mức chuẩn Mức chuẩn được chọn tuỳ ý vì

chỉ gradient năng lượng giữa hai điểm là quan trọng để mô tả dòng thấm

Hình 2.4 Năng lượng tại điểm A theo phương Y

Một điểm trong pha nước có ba thành phần năng lượng chủ yếu: đó là trọng lực, áp lực

và tốc độ Hình 2.4 cho thấy điểm A trong pha nước có vị trí tại cao trình y nằm trên

một mức chuẩn tuỳ ý Chúng ta xét trạng thái năng lượng của điểm A Năng lượng

trọng lực Eg tại điểm A có thể viết :

y - cao trình điểm A ở phần mức chuẩn;

Thành phần năng lượng do áp lực tại điểm A được cho như sau

uw - áp lực nước lỗ rỗng tại điểm A;

Vw - thể tích nước tại điểm A;

Năng lượng tốc độ Ev, tạo bởi tốc độ thấm của nước tại điểm A :

vw- tốc độ thấm của nước tại điểm A (theo hướng y);

Thế năng tại điểm A là tổng của các thành phần trọng lực, áp lực và tốc độ:

2

2

w

wv w

w w w

M P

u M

gy

M

E = + + (2-6)

Trong đó: E - tổng năng lượng;

Tổng năng lượng tại điểm A có thể hiển thị theo năng lượng trên trọng lượng đơn vị, được gọi là vị thế hay cột nước thuỷ lực Cột nước thuỷ lực hw tại điểm A nhận được

bằng cách chia phương trình (2-6) cho trọng lượng nước tại điểm A ( tứ là Mwg):

g

v g

= (2-7)

Trong đó: hw - cột nước thuỷ lực hay cột nước tổng;

Cột nước thuỷ lực gồm ba thành phần, đó là cột nước trọng lực y, cột nước áp lực (uw/pwg), và cột nước tốc độ (v2

w/2g) Cột nước tốc độ trong đất không đáng kể so với các cột nước trọng lực và áp lực Do vậy, để lập một biểu thức cho cột nước thuỷ lực

tại một điểm bất kỳ trong khối đất, có thể đơn giản hoá phương trình (2-7):

Các cột nước biểu thị trong phương trình (2-8) có thứ nguyên chiều dài Cột nước thuỷ

lực là một đại lượng đo được mà gradient của nó gây nên dòng thấm trong đất bão hoà

và không bão hoà Có thể dùng các thiết bị như nén kế và căng kế để đo áp lực nước lỗ

rỗng tại một điểm ở hiện trường (hình 2.5) Khoảng cách giữa cao trình của điểm đang xét và mức chuẩn, biểu thị cột nước cao trình (tức là VA và VB)

Hình 2.5 Cột nước của đất bão hòa và không bão hòa Khi áp lực nước lỗ rỗng tại một điểm là dương (điểm B trong hình 2.5), có thể đo nó

bằng nén kế, còn khi là âm (điểm A trong hình 2.5) đo bằng căng kế

Mực nước trong thiết bị đo sẽ dâng lên hay hạ xuống, tuỳ thuộc áp lực nước lỗ rỗng tại điểm xét Ví dụ, mực nước trong nén kế dâng trên cao trình của điểm B một khoảng cách bằng cột nước áp lực nước lỗ rỗng dương tại điểm B Ngược lại, mực nước trong căng kế hạ xuống dưới cao trình điểm A một cách khoảng cách bằng cột nước áp lực

lỗ rỗng âm tại điểm A Khoảng cách giữa mực nước trong thiết bị đo và mực chuẩn là

tổng của các cột nước trọng lực và áp lực (cột nước thuỷ lực)

Trong hình 2.5, điểm A có cột nước tổng cao hơn ở điểm B [hw(A)>hw(B)] Thế truyền động gây dòng thấm trong pha nước có cùng dạng cho cả đất bão hoà (điểm B)

và không bão hoà (điểm A) Nước sẽ thấm từ điểm có cột nước tổng cao hơn đến điểm

có cột nước tổng thấp, bất kể áp lực nước lỗ rỗng là âm hay dương

Đôi khi độ hút thấm thấu được xem như một thành phần trong phương trình cột nước

tổng của dòng thấm Tuy nhiên, gradient độ hút thẩm thấu được xem như thế truyền động của quá trình khuyếch tán thẩm thấu thì thích hợp Khuếch tán thẩm thấu là quá trình chuyển động của các thành phần ion hay phân tử do hoạt tính động lực của chúng gây ra Ví dụ, một gradient thẩm thấu qua màn bán thấm làm cho nước chuyển động qua màn bán thấm.Mặt khác, khi không có màn bán thấm, thì dòng thấm thể tích của dung dịch (nước sạch và muối hoà tan) bị chi phối bởi gradient cột nước thuỷ lực Do

vậy, phân tích dòng thấm thể tích của nước tách khỏi quá trình khuếch tán thẩm thấu thì tốt hơn, vì hai cơ chế độc lập cùng được xét đến

2.2.1.5 Ảnh hưởng của pha khí [7]

Khi ở trạng thái không bão hòa, đất là một hệ 4 pha: hạt đất, nước, khí và mặt ngoài căng, đồng thời tồn tại trong lỗ rỗng của đất Sự tồn tại của bọt khí làm giảm tính thấm

của đất, bọt khí càng nhiều, lượng chứa nước càng ít, thì tính thấm càng nhỏ và ngược

Dòng thấm không bão hòa: Dòng chảy trong môi trường rỗng tại vùng có áp lực lỗ

rỗng âm phía trên đường mặt thoáng Dòng chảy chủ yếu gây ra bởi gradient thủy lực

do độ chênh sức căng bề mặt;

Áp lực lỗ rỗng: áp lực nước trong các lỗ rỗng liên thông thuộc vật liệu thân hay nền công trình và bao gồm: áp lực nước lỗ rỗng dương tạo ra do trọng lực và áp lực lỗ rỗng

âm tạo ra bởi sức căng bề mặt

Hình 2.6 Dòng thấm đi trong một phân tố đất bão hòa và không bão hòa

2.2.1.6 Đường cong đặc trưng Nước-Đất [7]

Hình 2.7 Đường cong đặc trưng nước-đất

2.2.1.7 Định luật Darcy cho đất không bão hoà [7]

Dòng thấm của nước trong đất bão hoà thường được mô tả bằng định luật Darcy Darcy (1856) phát biểu là tốc độ dòng nước thấm qua khối đất tỷ lệ với gradient cột nước thuỷ lực:

∂h/∂l- gradien cột nước thuỷ lực theo hướng l, có thể ký hiệu là il;

Hệ số tỷ lệ giữa vận tốc thấm của nước và gradient cột nước thuỷ lực được gọi là hệ số

thấm k Với một loại đất bão hoà cụ thể, hệ số thấm tương đối là hằng số Dấu âm

trong phương trình (2-9) biểu thị là các dòng nước thấm chảy theo hướng giảm cột nước thuỷ lực

Định luật Darcy cũng áp dụng được cho các dòng nước thấm qua đất không bão hoà Tuy nhiên, hệ số thấm trong đất không bão hoà không thể xem là hằng số, mà hệ số

thấm là một biến, mà biến này chủ yếu là một hàm của độ ẩm hay độ hút dính của đất trong bão hoà

Nước có thể được xem như chỉ thấm qua các khoảng rỗng chứa nước Các lỗ rỗng chứa khí là các kênh không dẫn nước thấm Do vậy, các lỗ rỗng đầy khí trong đất bão hoà có

thể xem tương tự như pha rắn và đất có thể xem như bão hoà có độ ẩm giảm Do đó,

việc khẳng định định luật Darcy có thể có áp dụng được cho đất không bão hoà hay không hoàn toàn được tiến hành tương tự với đối với đất bão hoà Tuy nhiên, thể tích nước (hay độ ẩm) phải không đổi khi gradient cột nước thuỷ lực thay đổi

Các thực nghiệm xác minh định luật Darcy cho đất không bão hoà đã được thực hiện

và các kết quả được xác định Một cột đất không bão hòa có độ ẩm không đổi thì chịu các gradient cột nước trọng lực khác nhau Các kết quả cho thấy là tại một độ ẩm riêng

biệt, hệ số thấm k là hằng số với các gradient cột nước thuỷ lực khác nhau (trong trường hợp này, chỉ có cột nước trọng lực thay đổi) tác dụng lên đất không bão hoà Nói cách khác vận tốc thấm của nước qua đất không bão hoà tỷ lệ tuyến tính với gradient cột nước thuỷ lực, với hệ số thấm là hằng số, tương tự như đối với đất bão hoà Điều này xác nhận là định luật Darcy cũng có thể áp dụng cho đất không bão hoà

Độ lớn của hệ số thấm sẽ khác nhau với các độ ẩm thế tích θw không giống nhau, như

mô tả trong hình 2.8

Hình 2.8 Quan hệ giữa hệ số thấm và độ hút dính

2.2.1.8 Phương trình vi phân cơ bản của bài toán thấm [7]

H K z y

H K y x

Phương pháp thủy lực đã được sử dụng sớm nhất để nghiên cứu dòng chảy của nước

ngầm Năm 1856, dựa vào thực nghiệm Darcy đã thiết lập mối quan hệ giữa vận tốc

cứu ảnh hưởng của phần cửa vào (mái nghiêng) và tìm cách xác định đường bão hòa ở

cửa ra của thiết bị thoát nước Có thể nêu một vài phương pháp của một số tác giả làm

ví dụ:

- Phương pháp phân đoạn để tính thấm qua nêm thượng lưu của N.N.Páp-lốp-sky theo

sơ đồ hình 2.10

Hình 2.10 Sơ đồ tính theo phương pháp phân đoạn của N.N.Páp-lốp-sky

Hình 2.11 Sơ đồ tính theo phương pháp đường dòng trung bình P.A.Săng-kin

Hiện nay trong kỹ thuật, Phương pháp thay thế mái thượng lưu nghiêng bằng mái thượng lưu thẳng đứng hay nói cách khác thay nêm tam giác thượng lưu bằng hình chữ

nhật tương đương có bề rộng ∆l (hình 2.12) “Tương đương” ở đây được hiểu với ý nghĩa bảo đảm lưu lượng thấm qua đập thực bằng lưu lượng thấm qua đập đã biến đổi

Vấn đề này được nhiều học giả nghiên cứu

Người thành công nhất có thể kể đến là G.K.MI-khai-lốp, ông đề nghị:

.

∆ = ∆ (2-13)