5. Cấu trỳc đề tài luận ỏn
1.2. Cơ sở lý thuyết về dũng thấm
1.2.1. Thấm trong đất
Vận động của nước trọng lực trong mụi trường thấm của đất đỏ được gọi là quỏ trỡnh thấm. Thấm trong mụi trường đất đỏ phụ thuộc vào kớch thước cỏc lỗ rỗng, khe nứt, hỡnh dạng, sự liờn hệ giữa chỳng với nhau và được đặc trưng bởi vận tốc khỏ bộ.
Vận động thấm của nước trong đất đỏ cú thể mang đặc tớnh ổn định hoặc khụng ổn định:
- Vận động ổn định: Đặc trưng bởi sự ổn định của cỏc yếu tố dũng thấm (Tốc độ, lưu lượng, mực nước, gradien thuỷ lực ...) theo thời gian.
- Vận động khụng ổn định: Cỏc yếu tố dũng thấm thay đổi theo thời gian; sự thay đổi thường do cỏc nhõn tố tự nhiờn và nhõn tạo gõy ra.
Vận động thấm của nước dưới đất cú lưu lượng ổn định hoặc khụng ổn định (dũng chảy rối). Nước dưới đất hầu hết vận động thấm là dũng chảy tầng; do vậy, lưu lượng dũng thấm cũng được xem là lưu lượng dũng thấm ổn định.
Dũng thấm ổn định là dũng thấm cú lưu lượng khụng đổi theo thời gian và khụng gian. Khi tầng chứa nước cú độ đồng nhất kộm thỡ vận tốc thấm ở
cỏc tiết diện sẽ khụng giống nhau theo diện hoặc theo chiều thẳng đứng.[14],
[48], [51]
1.2.2. Định luật thấm tuyến tớnh, (định luật Đarcy)
Theo định luật Darcy, lưu lượng thấm tỉ lệ thuận với tiết diện thấm, với độ chờnh ỏp lực và tỉ lệ nghịch với chiều dài dũng thấm. Định luật thấm Darcy được ỏp dụng cho dũng thấm là dũng chảy tầng; được biểu thị bằng biểu thức: I F k L H F k Q . . . . (1.1)
Trong đú : Q - Lưu lượng thấm;
k - Hệ số tỉ lệ phụ thuộc loại đất, (hệ số thấm của đất); F - Tiết diện thấm;
H - Độ giảm ỏp khi nước thấm từ tiết diện a đến b;
L - Chiều dài dũng thấm từ a đến b.
L H
I , gradien thủy lực, tức độ chờnh mực nước trờn một đơn vị
chiều dài dũng thấm.
Vận tốc thấm lớ thuyết: V k.I (1.2)
“Vận tốc thấm dũng chảy ổn định tỉ lệ bậc nhất với gradien thuỷ lực”.
Khi xột dũng thấm qua tiết diện F, bao gồm diện tớch lỗ rỗng và hạt đất, nhưng trong thực tế nước chỉ thấm qua được tiết diện lỗ rỗng (hỡnh 1.8). Nếu độ rỗng của đất là n thỡ tiết diện thấm thực tế là F.n và vận tốc thấm thực tế sẽ là: n V n Q U . F
Vỡ n là số luụn luụn nhỏ hơn 1 cho nờn, vận tốc thấm thực tế bao giờ
cũng lớn hơn vận tốc thấm lớ thuyết, tức U> V và lớn hơn khoảng 2 3
lần. [14], [15], [39]
Hệ số thấm k là một đặc trưng quan trọng để đỏnh giỏ tớnh thấm của đất. Đối với cỏc loại đất khỏc nhau, phạm vi thay đổi hệ số k ứng với ỏp
suất vào khoảng 1.102
-:- 2.102 như sau:
Đất cỏt k = 1.10-1
Đất cỏt pha sột k = 1.10-3 -:- 1.10-6cm/s Đất sột pha cỏt k = 1.10-5 -:- 1.10-8 cm/s Đất sột k = 1.10-7 -:- 1.10-10 cm/s
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tớnh thấm của đất:
Đất thấm nhiều hay ớt là do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đú phải kể đến điều kiện hỡnh thành và tồn tại của đất, kết cấu và kiến trỳc của đất, kớch thước và hỡnh dỏng của hạt, thành phần dung dịch nước lỗ hổng và lượng chứa cỏc khớ kớn.
Trong quỏ trỡnh tồn tại, cỏc lớp đất ngày càng bị nộn chặt dưới trọng lượng của cỏc lớp tạo thành sau lắng đọng ngày càng dày ở bờn trờn, do đú lỗ hổng của chỳng ngày càng giảm đi và tớnh thấm của chỳng ngày càng bộ. Kớch thước và hỡnh dỏng cỏc hạt cũng như cấp phối của đất cú liờn quan đến kớch thước và số lượng cỏc lỗ hổng, tức là với lượng nước kết hợp, do đú ảnh hưởng quan trọng đến tớnh thấm của đất. Đất cỏt cú kớch thưỡc lỗ hổng lớn, hơn nữa trong đất cỏt khụng cú nước kết hợp, nờn tớnh thấm của đất cỏt lớn, đất sột cú kớch thước lỗ hổng bộ, cú nước kết hợp bao bọc, nờn tớnh thấm bộ.
Thành phần dung dịch nước lỗ hổng ảnh hưởng đến tớnh thấm của đất thụng qua cơ chế của sự trao đổi ion làm cho chiều dày màng nước kết hợp bao bọc hạt đất tăng hoặc giảm, dần tới tớnh thấm của đất sẽ tăng giảm theo.
Ảnh hưởng của khớ kớn đối với tớnh thấm của đất thể hiện ở chỗ làm tắc đường thấm nước. Khi lượng khớ kớn trong đất nhiều, thỡ tớnh thấm
giảm so với khi trong đất khụng cú khớ kớn. [14], [15], [24]
1.2.3. Định luật thấm phi tuyến (định luật A.AKrastiovolski).
Khi vận động thấm của nước dưới đất tạo thành dũng chảy rối, vận tốc
thấm được biểu thị bằng cụng thức: V kk I
- Dạng tổng quỏt của vận tốc thấm nước dưới đất: m
k I k
V
Trong đú: m = 1 2, phụ thuộc đặc điểm đất đỏ và sự biến đổi của
dũng chảy.
“Vận tốc thấm của nước dưới đất tỉ lệ với căn bậc m của gradien thủy lực”.
Hỡnh 1.8. Mụ hỡnh nước thấm qua mẫu đất [17] 1 - Thấm thực tế; 2 - Thấm theo lý thuyết
Trường hợp I = 1 thỡ V = k nghĩa là, khi gradien thuỷ lực bằng đơn vị thỡ hệ số thấm (k) bằng vận tốc thấm và cú cựng thứ nguyờn.
Đơn vị tớnh của vận tốc thấm là m/h, m/ng.đ thỡ đơn vị tớnh của k cũng là m/h và m/ng.đ. Hệ số thấm phụ thuộc vào thành phần hạt đất và nhiệt độ của nước dưới đất. Nú được xỏc định bằng thớ nghiệm thấm ở trong phũng và ở hiện trường hoặc sơ bộ xỏc định bằng cỏc cụng thức
kinh nghiệm theo độ rỗng n và d10 của đất.
Trường hợp m = 1, quy luật thấm lại trở về đỳng với định luật Đacxi, nếu m > 1 thỡ quan hệ vận tốc thấm với gradiờn thủy lực sẽ thể hiện là
đường cong. [14], [15], [45], [47], [49], [50], [51], [54], [58], [59]
1.3. Tổng quan về cỏt chảy trong xõy dựng cụng trỡnh vựng duyờn hải 1.3.1- Tổng quan về cỏt chảy
Cỏt chảy là một hiện tượng địa chất cụng trỡnh được biểu hiện bởi dũng bựn cỏt chảy vào hố múng dưới tỏc dụng của ỏp lực thủy động. Kết quả làm cho hố múng bị biến dạng, cỏc cụng trỡnh ở gần hố múng sẽ khụng ổn định: bị
lỳn hoặc nứt.[15],[17]
Hỡnh 1.9. Sơ đồ hỡnh thành cỏt chảy trong hố múng cụng trỡnh
Cỏt chảy là hiện tượng gõy khú khăn trong quỏ trỡnh thi cụng hố múng, cụng trỡnh ngầm, gõy mất ổn định mỏi dốc, khối trượt làm mất ổn định và gõy biến dạng cỏc cụng trỡnh lõn cận; tăng khối lượng đào đất, tăng thời gian thi
Cỏt chảy thường cú kết cấu xốp rời, dễ bị nộn chặt, bị dồn ộp hoặc bị trồi lờn. Cỏt chảy là loại đất yếu, kộm ổn định, khi thi cụng cần cú biện phỏp kỹ
thuật đặc biệt để đảm bảo sự ổn định cho cỏc cụng trỡnh.[14], [24]
Khi cỏt chảy ở phớa dưới sườn dốc, mỏi dốc, hố đào sẽ khoột rỗng tầng đế, làm cho cỏc khối phớa trờn mất điểm tựa; khi đú sẽ hỡnh thành khối trượt mới hoặc thỳc đẩy, phỏt triển thờm cỏc khối trượt đó cú, làm phỏ vỡ sự ổn định của sườn dốc, mỏi dốc hoặc hố đào; gõy nờn sụt lỳn, biến dạng cỏc cụng trỡnh đú hoặc cụng trỡnh gần đú.
Hỡnh 1.10. Cỏt chảy, lở cỏt Hỡnh 1.11. Cỏt chảy nhiều lớp
Cỏt chảy xuất hiện nhiều ở vựng đồng bằng duyờn hải, nguyờn do đõy là nơi cú cấu tạo địa chất phổ biến là cỏt hạt mịn, hạt nhỏ (do chịu bài mũn bởi nước biển và súng biển), địa hỡnh trũng thấp, MNN cao (chịu nhiều tỏc động của cỏc điều kiện tự nhiờn, khớ hậu, thủy văn, thủy triều).
Điều kiện phỏt sinh cỏt chảy:
Để hiện tượng cỏt chảy xảy ra, phải cú hai điều kiện chớnh:
- Thành phần đất là cỏt rời, giữa cỏc hạt gần như khụng cú lực dớnh (c=0) hoặc lực dớnh rất nhỏ, lỗ rỗng cú chứa đầy nước.
Trong điều kiện nhất định nhất định, hiện tượng cỏt chảy xuất hiện trong đất cỏt hạt mịn, hạt nhỏ, hạt bụi hoặc đất cỏt pha hạt bụi.
- Áp lực thủy động của dũng nước ngầm truyền vào cỏc hạt cỏt khi mở hố múng, hố đào. Do tớnh thấm nước yếu của cỏt chảy nờn ỏp lực thủy động gõy ra ỏp lực thấm truyền vào hạt cỏt làm cho hạt cỏt di chuyển theo hướng giảm gradien thấm.
Khi đất cỏt chuyển sang trạng thỏi chảy sẽ mất liờn kết kiến trỳc, cỏc hạt sẽ chuyển sang trạng thỏi lơ lửng.
Cỏt chảy rất nhạy cảm với chấn động (hay hiện tượng rung, chấn động) và lực đập động lực. Cỏc lực đú sẽ làm hỏng cụng trỡnh, ngay cả khi nơi phỏt
lực đú ở rất xa cụng trỡnh.[7],[24]
Theo đặc tớnh, cỏt chảy được chia làm hai loại:
- Cỏt chảy giả: Cỏt chảy do ỏp lực thủy động. Khi chuyển động, nước
dưới đất tạo ra ỏp lực thủy động tỏc dụng lờn cỏc hạt đất đỏ và được xỏc định
theo biểu thức: dt dq g I n n. . (1.3)
Nước dưới đất vận động hoón biến nờn vận tốc thấm rất nhỏ so với gradien thấm, vỡ thế cú thể bỏ qua thành phần thứ hai.
Khi đú ỏp lực thủy động bằng: n.I
Khi ỏp lực thủy động vượt quỏ trọng lượng đẩy nổi của cỏc hạt cỏt thỡ hạt cỏt ở trạng thỏi lơ lửng và dễ di chuyển.
đn th n I . , nờn n đn th I (1.4)
Nếu coi trọng lượng nước khụng đổi và bằng đơn vị ( 3
/ 1G cm n ): ) 1 ).( 1 ( n Ith đn s (1.5) Trong đú: g - gia tốc trọng trường; dt dq - vận tốc thấm của nước
q – lưu lượng thấm, t – thời gian thấm
I – gradien thấm; Ith – gradien ỏp lực nước tới hạn
s- là khối lượng riờng của cỏt, g/cm3, n - dung trọng của nước;
n – Độ rỗng của cỏt.
Nghĩa là trạng thỏi chảy xảy ra khi gradien ỏp lực thấm bằng trọng lượng đẩy nổi của đất.
- Cỏt chảy thật: xảy ra trong đất cỏt khụng đồng nhất cú chứa từ 3-5% hàm lượng hạt sột (kớch thước hạt <0,002mm), và hàm lượng hữu cơ nhỏ. Trong mụi trường bóo hũa nước, hàm lượng hạt sột và hữu cơ bao bọc xung
quanh hạt cỏt làm giảm ma sỏt giữa cỏc hạt. Khi cú một ỏp lực thủy động tỏc dụng, dũng cỏt được đẩy đi. Khi giảm gradien thủy lực của dũng nước ngầm
nhỏ hơn Igh, cỏt chảy vẫn xảy ra.
Hệ số thấm của chỳng rất nhỏ, nhỏ hơn 0,43 m/ng. Đặc tớnh của cỏt chảy thật là khả năng phúng thớch nước kộm. Khi mất nước chỳng biến thành những khối cố kết.
Cỏt chảy rất nhạy cảm với chấn động (hiện tượng rung) và lực va đập động lực. cỏc lực đú sẽ làm hỏng cụng trỡnh, ngay cả khi nơi phỏt ra lực đú ở rất xa.[14], [24], [40], [41], [42], [50], [51], [54]
1.3.2. Sự cố cụng trỡnh do cỏt chảy trờn thế giới và Việt Nam
Cú 3 dạng sự cố cụng trỡnh do cỏt chảy gõy ra:
1 – Cỏt chảy gõy sạt lở, sụt lỳn hố múng cụng trỡnh khi khai đào như: nhà cửa, cầu cống, nền đường, cỏc cụng trỡnh ngầm…
Xảy ra phổ biến khi đào hố múng để thi cụng cụng trỡnh, đặc biệt cỏc
cụng trỡnh ở vựng duyờn hải (hỡnh 1.12, 1.13, 1.14).
Điển hỡnh trong số đú là:
- Khi thi cụng đường hầm tàu điện ngầm ở thành phố xanh Petecbua (Nga) làm hàng nghỡn một khối đất đỏ đó ập vào đường hầm rộng 80m, tạo nờn
những hố sụt lớn trờn bề mặt địa hỡnh.[14]
- Khi thi cụng cụng trỡnh cao ốc Pacific làm sập Viện nghiờn cứu Khoa
học xó hội;
- Thi cụng cụng trỡnh ở TP Thanh Húa gõy sụt lỳn hai bờn hố đào và lỳn nứt cụng trỡnh hai bờn đường…
Hỡnh 1.12. Thi cụng hệ thống thoỏt nước TP Thanh Hoỏ phải dựng cọc vỏn thộp kết hợp bơm hỳt do gặp cỏt chảy tuồn vào hố múng gõy sụt lỳn nhà dõn và cỏc cụng trỡnh hai bờn đường
Hỡnh 1.13. Sập Viện nghiờn cứu Khoa học xó hội bị sập khi thi cụng cụng trỡnh cao ốc Pacific bờn cạnh
Hỡnh 1.14. Nền đường đang thi cụng bị xúi lở do cỏt chảy đường Đụng Tõy 2, KKT Nghi Sơn
Nguyờn nhõn sự cố:
- Khi khai đào hố múng cụng trỡnh, tạo ra cỏc vết lộ của hố múng, tạo điều kiện cho ỏp lực thủy động của dũng thấm hoạt động và truyền vào cỏc hạt cỏt, làm cho cỏc hạt cỏt di chuyển theo hướng giảm ỏp lực dũng thấm (tức là hướng vào hố múng cụng trỡnh).
- Dũng cỏt khi di chuyển vào hố múng cụng trỡnh làm cho hố múng cụng trỡnh bị vựi lấp, đồng thời làm cho khối đất đỏ trờn thành hố múng bị mất điểm tựa và gõy ra lỳn, nứt, biến dạng thậm chớ sụp đổ hố múng cụng trỡnh hoặc bộ phận cụng trỡnh trờn đú.
- Dũng cỏt chảy thường kộo dài với khoảng cỏch khỏ xa so với hố múng cụng trỡnh khai đào; đồng thời quỏ trỡnh thi cụng đầm lốn gõy ra hiệu ứng rung chấn lớp cỏt dưới hố múng cụng trỡnh cú thể làm cho cụng trỡnh gần đú lỳn, nứt, thậm chớ sụp đổ.
2 – Cỏt chảy gõy ra biến dạng trượt, trồi, lỳn, thậm chớ sụp đổ cụng trỡnh khi thi cụng, khai thỏc. Thể hiện qua cỏc vớ dụ: Từ hỡnh 1.15 đến 1.20, hỡnh 1.23 đến 1.27
- Do độ chặt của lớp cỏt chảy khụng đủ, khi cụng trỡnh đặt trờn nền cỏt chảy chưa được giải quyết triệt để, dưới tỏc dụng của tải trọng động, tải trọng bản thõn cụng trỡnh gõy ra hiện tượng trượt giữa cỏc hạt cỏt (mực nước ngầm cao, cỏc hạt cỏt được bọc bởi cỏc hạt sột và hữu cơ, làm giảm ma sỏt giữa cỏc hạt cỏt) làm cho nền múng cụng trỡnh rạn nứt, gõy trượt, trồi giữa cỏc lớp cỏt. Hiện tượng này thường xảy ra đối với đường ụ tụ cú kết cấu múng nụng, chịu tải trọng động.
Hỡnh 1.15. Đường trờn sa mạc Sahara bị vựi lấp do cỏt chảy
Hỡnh 1.16. Nền nhà ở An Hải, Tuy An, Phỳ Yờn bị sụt lỳn do mưa lũ
- Cỏc cụng trỡnh vựng duyờn hải luụn phải đối mặt với thời tiết khớ hậu cực đoan như mưa lũ, lốc xoỏy. Khi đú, mực nước ngầm dõng cao, gradien ỏp lực nước lớn, tạo nờn ỏp lực thủy động dưới nền múng cụng trỡnh. Khi ỏp lực thủy động đủ lớn sẽ tạo ra dũng cỏt chảy õm thầm dưới nền múng cụng trỡnh, làm rỗng chõn nền múng cụng trỡnh một cỏch từ từ hoặc tạo ỏp lực lớn đẩy toàn bộ nền múng cụng trỡnh ra khỏi vị trớ trước đú.
Hỡnh 1.17. Đường giao thụng trờn đồi cỏt bị chia cắt, cửa lũ, Nghệ An
Hỡnh 1.18. Cỏt chảy làm đường bị sụt, lỳn ở cửa lũ, Nghệ An
Hỡnh 1.19. “Bom nước” thủy điện Ia Krel 2 bị vỡ khiến hàng triệu m3 nước tràn xuống hạ du tạo ra cơn lũ quột kinh hoàng.
Hỡnh 1.20. Vỡ đờ sụng cầu chày, 3.500 người dõn xó Thọ phỳ lõm vào cảnh khốn cựng
3 – Cỏt chảy gõy sa mạc húa ruộng vườn, làng mạc khi mưa lũ lớn, giú lốc xoỏy.
Hỡnh 1.21. Ruộng đồng của xó Hồng Thủy,
Lệ Thủy bị cỏt chảy vựi lấp. Hỡnh 1.22. Lũ cỏt xảy ra tại thụn xúm Cỏt (An Hải, Tuy An, Phỳ Yờn)
Do ảnh hưởng của biến đổi khớ hậu, nước biển dõng; lũ cỏt thường xuất
hiện ở vựng duyờn hải. Khi mưa to, bóo giú lớn, thỡ mực nước dõng cao, cỏc dũng nước do mưa lũ lớn cuốn theo những dũng cỏt làm sa mạc húa ruộng vườn, vựi lấp cỏc cụng trỡnh giao thụng, xõy dựng. Làm cho cụng trỡnh hư hỏng, xuống cấp nhanh chúng thậm chớ gõy nguy hiểm, mất an toàn cho cuộc sống nhõn dõn trong vựng.
Sự gia tăng của cỏc hiện tượng khớ hậu cực đoan và thiờn tai, cả về tần số và cường độ do biến đổi khớ hậu là mối đe dọa thường xuyờn, trước mắt và lõu dài đối với tất cả cỏc lĩnh vực, cỏc vựng và cỏc cộng đồng. Bóo, lũ lụt, hạn hỏn, mưa lớn, nắng núng, tố lốc là thiờn tai xảy ra hàng năm ở