Sự cố đê điều phát sinh trong lũ, đây là những loại sự cố đê nó có hậu quả rất nghiêm trọng, nếu không được xử lý sự cố ngay từ giờ đầu dẫn đến hậu quả vỡ đê, là một thảm họa thiệt hại vô cùng to lớn về người và tài sản.
2.2.1.Tác hại của sự đùn, sủi; thẩm lậu
Xói ngầm cơ học và cát chảy là một sự thúc đẩy mạnh cho phát sinh ra mạch đùn, đó cũng là một tác hại của sự đùn, sủi. Bởi đùn, sủi, nó moi cuốn những hạt đất cát ra khỏi khối đất ở một tốc độ lớn có thể làm biến dạng nền đê, tạo nên sụt mặt đất, nứt đất, thậm chí là sập đê dẫn đến hậu quả vỡ đê. Thẩm lậu làm cho cả thể tích gần mặt mái dốc bị biến dạng cục bộ dẫn đến trượt cục bộ, xói lở đất trên đoạn mái đê có thể gây ra vỡ đê.
2.2.1.1 Xói ngầm cơ học:
Xói ngầm cơ học được hiểu là sự moi cuốn đi những hạt nhỏ qua những lỗ rỗng của cốt đất hạt to hơn; trong đó sự moi cuốn có thể "có mức độ, hoặc có thể làm phá hoại đất được quyết định trước hết bởi hệ số không đồng nhất của đất và gradient thấm. Xói ngầm có thể xảy ra với những điều kiện sau:
Đất không đồng nhất ở mức độ nào đó, lúc này các hạt nhỏ hơn có thể di chuyển trong lỗ rỗng của các hạt to hơn và bị moi ra khỏi khối đất;
Có gradient nhất định của dòng nước, tạo nên lực thủy động có khả năng lôi cuốn hạt đất theo dòng nước ngầm;
Có một miền xả ra và tiêu thoát các hạt nhỏ khỏi khối đất.
Để đánh giá khả năng xói ngầm người ta thường dựa vào tốc độ và gradient thủy lực của dòng nước ngầm.
Khi đánh giá mức độ ảnh hưởng của tốc độ dòng thấm tới khả năng xói ngầm, người ta thường sử dụng kết quả nghiên cứu của D.D. Djastin [Lomtadze], như ở bảng:
Bảng 2.2:Tốc độ dòng nước dưới đất bắt đầu gây ra xói ngầm Kích thước hạt
đất, (mm)
Tốc độ gây rửa xói, (m/phút)
Kích thước hạt đất, (mm)
Tốc độ gây rửa xói, (m/phút)
5,0 13,23 0,10 1,83
3,0 10,37 0,08 1,67
1,0 5,91 0,05 1,31
0,8 5,30 0,03 1,04
0,5 4,18 0,01 10,59
0,3 3,08
Khi đánh giá ảnh hưởng của gradient thủy lực của dòng nước dưới đất đến khả năng xói ngầm của đất cát, K. Terzaghi (1933) chỉ ra rằng dòng thấm đi lên có thể gây xói ngầm với gradient có giá trị bằng:
JRrR = (∆ - 1)(1-n), (9) Trong đó: ∆, n - tỷ trọng, độ rỗng của đất.
V.X. Istomina đã đưa ra mối quan hệ giữa gradient thủy lực của dòng thấm với hệ số không đồng nhất của đất
10
60
d
Kk = d , (10)
Trong đó: Kk – hệ số không đồng nhất về kích thước hạt trong đất rời, d60, d10 – đường kính hạt đất chiếm tỷ lệ 60% và 10% trong đất rời.
Kết quả nghiên cứu được thể hiện trên hình. 2.2
Từ hình 2.2 thấy rằng khi trị số Kk = 10 ÷ 15 sự phá hỏng do xói ngầm chỉ xảy ra khi gradient lớn (1 > 0,8 ÷1,0), nhưng sự moi cuốn “có mức độ” những hạt
nhỏ có thể xảy ra ngay khi gradient nhỏ, nghĩa là, khi đất càng không đồng nhất thì chỉ cần gradien nhỏ dễ có thể gây ra xói ngầm.
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
0 5 10 15
II
25
20 30 35
I
Hình 2.2: Đồ thị đánh giá khả năng phát triển xói ngầm (V.X. Istomina) 2.2.1.2 Cát chảy
Hiện tượng cát chảy thường được phát hiện ở đáy/bờ hồ, ao, kênh mương hoặc trong các giếng phun, các mạch sủi. Khi nhận xét vè cát chảy, Terzaghi cho rằng tính chảy của cát hoàn toàn do tác dụng của áp lực thủy động. Mô hình thể hiện sự phân bố ứng suất trong cát chảy nêu ở hình 2.3
Máng dẫn nuớc
Đá dăm d=0,2m Cát vàng d=0,3m Phên kẹp rơm
Đá hộc d=0,3m
§Êt sÐt chÌn
Bê qu©y
Hình 2.3: Phân bố ứng suất trong cát chảy
σ’ - ứng suất hữu hiệu, u – áp lực nước lỗ rỗng
Ứng suất toàn phần / ứng suất tổng trong đất ở độ sâu (H1 + Z) từ mực nước trong bình bằng trọng lượng của cột nước u = (H1 + Z)γw và trọng lượng đất bị đẩy nổi bởi áp lực thủy tĩnh σ’=zγ’:
σ = σ’ + u (11)
Nếu mực nước trong ống đo áp tăng lên một giá trị h thì nước bắt đầu chuyển động từ dưới lên và trong cát chảy xuất hiện lực thủy động DRtđR:
w
tđ w J
z h z
D H + + γ = γ
= 1 . (12)
Áp lực thủy động làm giảm ứng suất hữu hiệu một giá trị Dtđ: σ’ = zγ’ - Dtđ, và chính điều đố càng làm giảm độ ổn định của đất. Nếu áp lực thủy động đạt tới giá trị Dtđ = zγ’ thì ứng suất hữu hiệu sẽ bằng không và gradient thủy lực đạt được giá trị tới hạn. Với điều kiện thủy lực như vậy đất trở nên xốp và bắt đầu chảy ở vùng bờ/đáy hồ ao, kênh mương; còn trong giếng phun và lỗ rò mạch sủi thì cát đùn lên. Tốc độ phát triển của cát chảy phụ thuộc vào giá trị của lực thủy động. Nếu gradient lớn, lực thủy động lớn thì cát sẽ chảy với tốc độ lớn hoặc cực kỳ lớn, có thể làm biến dạng nền đê, tạo nên sụt mặt đất, nứt đất, thậm chí là sập đê.
2.2.1.3 Trượt, xói lở mái
Dưới tác dụng của áp lực thấm trong thân đê và chiều sâu mực nước phía sông, đường bão hòa trong thân đê thường dâng cao và lộ ra trên mái đê phía đồng gây ra trượt mái dốc.
Xói lở mái đê phía sông hay phía đồng đều rất nguy hiểm, gây mất ổn định thân đê, nếu vào mùa lũ khi nước sông dâng cao cùng với mưa gió mạnh có thể gây vỡ đê. Do đó cần có biện pháp củng cố và bảo vệ mái đê phía sông (lát mái) và phía đồng (trồng cỏ) để đảm bảo an toàn trong mùa mưa lũ.
2.2.2. Tác hại nước sông tràn mặt đê
Khi nước tràn qua đỉnh đê, đổ xuống mái đê phía đồng thì dòng nước mặt có thể bào mòn, xói lở mái tạo nên các rãnh xói, mương xói đe doạ trực tiếp đến an
toàn đê và cuối cùng gây vỡ đê. Tốc độ bào xói mái đê phụ thuộc chủ yếu vào động năng của dòng nước tràn qua đê và tính chất cơ lý của đất ở mái đê. Động năng của dòng nước phụ thuộc vào lưu lượng và tốc độ của dòng nước. Lưu lượng nước tràn qua đê phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh cao giữa mực nước sông và cao độ mặt đê.
Sự chênh cao càng lớn thì lưu lượng nước tràn qua đê càng cao. Tốc độ của dòng nước tràn qua đê, ở chừng mực nhất định, phụ thuộc nhiều vào góc dốc và chiều cao mái đê phía đồng. Theo định luật thuỷ lực học, trong điều kiện lý tưởng, khối lượng (thể tích) của các hạt bị dòng nước mặt cuốn đi thì tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc 6 của tốc độ dòng nước, còn trên thực tế, người ta quan sát được sự phụ thuộc này chỉ là bậc 4 (Lomtadze). Như vậy, có nghĩa là nếu tốc độ dòng nước tràn qua mái đê tăng gấp 2 lần thì khối lượng vật liệu mà nó có thể mang đi được sẽ tăng lên 16 lần.
Các tài liệu quan trắc (nguồn Lomtadze) cho thấy ở những sườn dốc có độ dốc 7-80 thì hiện tượng xói bề mặt và xói theo tuyến biểu hiện mãnh liệt ở mọi nơi, ở những sườn dốc có góc dốc lớn hơn 80 thì phát sinh nhiều rãnh xói và nhanh chóng trở thành mương xói. Tốc độ của dòng nước mặt ở mái đê phía đồng cũng phụ thuộc vào độ cao của đê theo định luật rơi tự do: v= 2gh (g- gia tốc trọng trường, h- chiều cao mái đê). Chiều cao đê càng cao thì tốc độ dòng chảy càng lớn.
Điều đó có nghĩa là khi nước sông tràn qua mặt đê, đổ xuống mái đê phía đồng với góc dốc 18-200 thì sự bào xói, phá huỷ mái đê là rất mãnh liệt. Cường độ bào xói, mặt khác còn phụ thuộc vào lớp phủ bảo vệ mái đê (cỏ) và đặc tính của đất dắp ở thân đê và tính chất cơ lý của chúng. Độ chặt của đất càng lớn, sức kháng cắt của đất càng cao thì sức chống lại sự xói lở của dòng nước càng cao, ngược lại, độ chặt của đất đắp đê càng thấp, cường độ chống cắt càng thấp thì khả năng đất bị phá huỷ do dòng xói càng cao. Theo Lomtadze, tốc độ dòng nước có thể phá huỷ cấu trúc đất của một số loại đất thông thuờng như sau:
Đất sét và đất sét pha chặt: v=1,2m/s Đất sét và đất sét pha kém chặt v=0,5m/s Cát pha chặt: v= 0,6-0,8m/s
Cát pha kém chặt v=0,25-0,35m/s.
Từ phân tích nêu trên nhận thấy rằng, khi nước tràn qua mặt đê xuống mái đê có độ dốc lớn, tốc độ dòng chảy cao, vật liệu đất đắp đê là đất sét, sét pha với dung trọng 1,45-1,50 T/m3 và độ chặt trung bình là K=0,85-0,9 như phần lớn đất thân đê ở tỉnh Thái Bình thì sự hình thành rãnh xói, mương xói là tất yếu, hiểm hoạ vỡ đê sẽ khó tránh khỏi nếu không có các biện pháp xử lý kịp thời.
2.2.3. Tác hại của sạt lở bờ
Trường hợp này thường xảy ra tại bờ lừm sụng cong, cỏc vị trớ này thường đó được xử lý gia cố bằng kè. Sự xói mòn bờ sông hoặc đáy sông gần bờ làm cho sạt trượt từng mảng lớn. Trong thực tế có rất nhiều đoạn bờ (kè) gần và sát đê; nếu hiện tượng trên xảy ra thì rất nguy hiểm, nó có thể làm cho đê sạt lở nghiêm trọng. Trong lũ việc xử lý sự cố này là vô cùng khó khăn, do điều kiện thi công rất khó, khi đó lũ có vận tốc dòng chảy cao, chiều sâu của nước rất lớn, điều kiện thời tiết khắc liệt do đó có thể diễn biến của sự cố phức tạp dẫn đến vỡ đê.
2.2.4. Tác hại của tổ mối trong thân đê
Một trong những nguyên nhân của các hiện tượng rò rỉ, thẩm lậu ở các đoạn đê vào mùa mưa là do loài mối gây ra. Độ rỗng của tổ mối ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền vững của công trình, nếu không phát hiện và xử lý kịp thời thì có thể xảy ra vỡ đê vào mùa mưa bão.
Tóm lại: Qua phân tích, đánh giá nguyên nhân phát sinh và tác hại của thẩm lậu, đùn, sủi, nước tràn mặt đê, sạt lở bờ nhận thấy rằng nếu không được phát hiện, xử lý ngay từ giờ đầu và kịp thời thì hậu quả của chúng dẫn đến vỡ đê. Đây là một thảm họa khôn lường. Nó có sức tàn phá mãnh liệt làm thiệt hại vô cùng lớn.
Nếu để vỡ đê:
+ Thứ nhất: thiệt hại về người là không thể tính được bằng tiền.
+ Thứ hai: thiệt hại về phi vật chất ( tinh thần...) không thể tính được giá trị.
+ Thứ ba: thiệt hại lớn về của.
2.3. Biện pháp kỹ thuật xủa lý các sự cố đê điều trong mùa lũ