Hiện tượng nước tràn qua đê liên quan tới cao trình mặt đê và mực nước lũ.
Hiện tượng thẩm lậu thân đê liên quan tới chất lượng thân đê, chủ yếu là sự nứt nẻ trong thân đê và mực nước lũ. Hiện tượng mạch sủi, mạch đùn chủ yếu liên quan tới cấu trúc nền đê, chủ yếu có các lớp cát thông với nước sông và mực nước sông.
Hiện tượng trượt sạt đê trong mùa lũ, liên quan tới mực nước sông là trượt mái phía đồng khi nước sông dâng cao và trượt mái phía sông khi nước sông rút nhanh. Xói chân kè, sạt mái kè liên quan tới động năng dòng mặt moi đất, đá ở chân và mái kè, trong mùa lũ.
Như vậy, sự cố đê điều liên quan chặt chẽ tới dòng nước lũ, được thể hiện ở tốc độ, lưu lượng và cuối cùng ở mực nước. Sự cố nước tràn đê là một trong các sự cố nguy hiểm dễ gây vỡ đê. Do vậy, để khống chế sự cố này, cao trình đê, mặt cắt đê phải đảm bảo theo các quy định phòng lũ. Khi sự cố tràn nước qua đê được loại trừ về cơ bản thì các sự cố liên quan tới chất lượng thân và nền đê có ý nghĩa quan trọng. Liên quan tới chất lượng đê gồm có các vấn đề về rò - rỉ qua cổng dưới đê, thẩm lậu, tổ mối gây sập đê, sạt trượt mái đê do chất lượng đất đắp hoặc mặt cắt đê, chưa đủ độ thoải, chưa có cơ đê. Liên quan tới nền đê về bục đất, đùn sủi ở chân đê phía đồng.
Các sự cố đê điều phần lớn xuất hiện vào mùa mưa lũ khi mà đất ở thân đê- nền đê thường có độ ẩm cao do tác dụng của nước mưa, khi mà mực nước sông dâng cao, nước tràn bờ tác dụng lên đê. Mực nước sông dâng cao tạo nên điều kiện thuỷ địa cơ học phức tạp làm cho thân và nền đê trở nên vô cùng phức tạp và phát sinh sự cố. Điều đáng lưu ý là trong những năm vừa qua mực nước sông không cao nhưng các sự cố xảy ra đã rất nhiều. Điều này rất đáng được quan tâm vì nếu mức nước sông lên cao hơn thì số lượng và mức độ sự cố đã có thể không dừng lại ở đó.
Nhìn chung, các sự cố đê điều thường trực tiếp hoặc gián tiếp chịu tác động của của mực nước sông và các yếu tố chủ quan, khách quan, cao trình mặt đê, mặt cắt đê ở tỉnh Thái Bình về cơ bản được bảo đảm.
2.1.1. Hiện tượng thẩm lậu, mạch đùn, mạch sủi.
Đê được đáp bằng đất, được hiểu một cách khái quát là dạng đập đất. Tuy nhiên khi xem xét về thấm ở đê, trong thực tế giữa đập và đê có những sự khác biệt rừ rệt khiến cho quỏ trỡnh thấm ở hai loại cụng trỡnh này cũng xẩy ra khỏc nhau. Sự khác biệt được đánh giá khái quát như bảng...:
Bảng 2.1: Một số đặc điểm khác biệt giữa đê và đập
STT Đặc điểm Đập đất đồng chất Đê
1
Khảo sát các điều kiện thuỷ văn, địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng …
Được khảo sát kỹ Rất ít được khảo sát
2 Phương tiện thi công Cơ giới Thủ công, cơ giới
3 Quy mô công trình Ngắn Rất dài
4 Thời gian thi công Ngắn Kéo dài nhiều thế hệ 5 Xử lý nền khi thi công Được xử lý cẩn thận Không được xử lý 6 Tiếp xúc với nước Thường xuyên Theo chu kỳ 7 Nguồn nước gây thấm Nước hồ Nước sông, biển 8 Đặc điểm mực nước Tương đối ổn định Dao động theo lũ
Từ một số đặc điểm nêu trên, có thể thấy rằng mức độ rủi ro của đê là rất cao. Điều đó thể hiện ở chủng loại, số lượng cũng như tần suất của các sự cố đê điều. Riêng đối với vấn đề mất ổn định thấm, từ những đặc điểm của cấu trúc địa chất nền đê, kết cấu thân đê và sự dao động của mực nước sông trong mùa lũ, bài toán thấm nền đê có những điều khác với bài toán thấm ở đập khi xét đến dòng thấm ổn định. Với những đặc điểm như vậy, dòng thấm ở thân và nền đê có những
đặc thù riêng, khác với dòng thấm vẫn thường được xem xét khi tính toán thấm cho đập đất đồng chất. Sự khác biệt cơ bản xuất phát từ chỗ đê chỉ thực sự chịu tác động của dòng nước lũ có 2-3 tháng trong một năm, hơn nữa lũ lớn lại thường chỉ xuất hiện trong khoảng 1 tháng, thời gian duy trì đỉnh lũ chỉ trong khoảng một vài ngày.
Do vậy, bài toán thấm dòng ổn định thường dùng cho đập không xét đến yếu tố thời gian tỏ ra không phù hợp để nghiên cứu thấm ở thân và nền đê, khi dòng thấm này chịu ảnh hưởng bởi mực nước lũ diễn biến phức tạp theo thời gian.
Xét sơ đồ nền đê có 2 lớp: lới 1 tương đối cách nước, lớp 2 là lớp chứa nước và có quan hệ thủy lực trược tiếp với sông, trước đê là một bãi nhỏ, không có đê bối, cao trình mặt bãi phía sông bằng hoặc cao hơn cao trình mặt bãi phía đồng như ở hình 1
∆HRal
∆HRbs2
Hình 2.1. Sơ đồ các dòng thấm ở thân và nền đê
1- lớp đất phủ ít thấm; 2- lớp đất cát; (*)- đường bão hoà; (1), (2), (5), (6), (7), (8)- các dòng thấm tương ứng theo các phương trình (1), (2), (5), (6), (7) và (8).
MNS- mực nước sông.
Vào mùa kiệt, mực nước sông thấp nhất xấp xỉ với cao trình mặt lớp 2, vào đầu mùa lũ, khi mực nước sông lên thì lớp đất 2 đã hoàn toàn bão hoà nước và có áp nhẹ. Khi nước sông lên báo động 1 mực nước sông mấp mé bãi phía đồng, thân đê chưa bị ngâm nước. Xét một trận lũ lớn, mực nước sông dâng cao trong vài ngày, lũ đạt đỉnh.
∆Htd
∆Hbs
∆Hbđ
∆Hmđ
Phía sông
(1) (6)
(5)
(7)
(8)
x
1
2
0
(*) (2)
Phía đồng
Với điều kiện như vậy thì chế độ thấm ở thân và nền đê sẽ là:
- Khi chưa bị ngâm nước, đất trong đê có thể được coi là có độ ẩm tự nhiên, và nằm ở trạng thái chưa bão hoà.
- Khi nằm dưới mực nước lũ, trong thân đê bắt đầu xẩy ra hiện tượng ngấm nước, hoặc nói theo cách khác là trong thân đê xẩy ra quá trình thấm trong đất không bão hoà.
Trong khi đó ở nền đê:
- Lớp đất 2 có quan hệ thuỷ lực với nước sông đã trở thành một tầng chứa nước có áp,
- Còn ở lớp đất 1:
- Ở bãi phía sông xẩy ra thấm xuyên từ trên xuống do áp lực nước sông và thấm xuyên từ dưới lên do áp lực của tầng có áp phía dưới,
- Ở bãi phía đồng xẩy ra thấm xuyên bão hoà/không bão hòa từ dưới lên dưới tác dụng của áp lực nước của tầng chứa nước có áp.
Do đó, đối với đê cần làm sáng tỏ đặc tính thấm ở các miền sau:
(1) Thấm trong thân đê chưa bão hoà;
(2) Thấm ở lớp đất cát chứa nước có áp, (3) thấm ở lớp đất phủ.
a. Thấm ở thân đê. Định luật thấm trong đất không bão hoà, theo Del Fredlund có thể được thiết lập theo định luật Darcy, tuy nhiên hệ số thấm trong trường hợp này, không phải là một hằng số như trong đất bão hoà, phụ thuộc vào độ rỗng, độ ẩm và độ hút dính. Hệ số thấm của đất không bão hoà có thể được xác định bằng phương pháp thực nghiệm hoặc tính toán gián tiếp. Fredlund đã đưa ra một ví dụ điển hình về tính hệ số thấm không bão hoà cho một loại đất dính có hệ số thấm bão hoà kt=5,83.10-8 m/s. Xin trích dẫn một số giá trị như sau: Độ hút dính ua-uw (kPa) =0,00 thì hệ số thấm không bão hoà kw(θ) = 5,83.10-8 m/s; ua-uw (kPa)
=8,38 - kw(θ) = 5,36.10-8 m/s; ua-uw (kPa) =15,21 - kw(θ)= 3,04.10-8 m/s; ua-uw (kPa) =20,50 - kw(θ) = 1,19.10-8 m/s... Từ đó thấy rằng độ hút dính càng tăng lên
thì hệ số thấm không bão hoà càng giảm đi. Như vậy, trong cùng một loại đất, hệ số thấm không bão hoà kw (θ) luôn lớn hơn hệ số thấm bão hoà kt.
Đối với thân đê, phương trình vi phân cơ bản của vận động nước dưới đất trong trường hợp dòng không áp, không ổn định trong bài toán một chiều được thể hiện như sau:
(∂∆Htd/∂t)= atđ(∂2∆Htd/∂x2). (1)
Trong đú: atđ = T/à = (kw(θ)tđ.mtb)/à - hệ số dẫn mực nước; T- độ dẫn nước, kw(θ)tđ - hệ số thấm khụng bóo hoà; mtb- bề dầy trung bỡnh của thõn đờ; à- hệ số sức chứa trọng lực; tđ- ký hiệu dùng cho thân đê.
Vậy thì tại sao ở mái đê phía đồng lại phát hiện được các điểm thẩm lậu? Có thể khẳng định rằng thân đê ở những vị trí đó chưa bảo đảm chất lượng về điều kiện chống thấm đối với công trình thuỷ lợi.
b. Truyền áp lực trong tầng nước có áp. Khác với bài toán thấm không ổn định không áp, trong tầng nước có áp thay cho sự lan truyền dòng nước là sự lan truyền áp lực. Phương trình vi phân cơ bản của lan truyền áp lực trong bài toán một chiều được thể hiện như sau:
(∂∆Hal/∂t)= a*(∂P2P∆Hal∂x2). (2)
trong đú: a*=T*/à* = (ktal.mal)/à*=kt(1+e)/γ(av+ eβ )- hệ số dẫn ỏp; T*- độ dẫn ỏp, ktal- hệ số thấm bóo hoà; mal- bề dầy tầng chứa nước; à*- hệ số sức chứa đàn hồi; e, av- hệ số rỗng, hế số nén chặt của đất; β- hế số nén thể tích của nước; al- ký hiệu dùng cho tầng nước có áp.
Theo lời giải của Sextakov, gọi ∆H0al là áp lực nước sông ban đầu tại biên,
∆H(x,t)al là áp lực nước tại điểm x nào đó, điều kiện biên của phương trình (2) như sau:
∆HR(x,0)alR= 0,0; ∆HR(0.t)alR= ∆HR0R; (3)
trong đó: ∆HR(x,0)alR - áp lực nước ở điểm "x" cách đầu nguồn nước (bờ sông, bờ đầm ao phía ngoài sông có quan hệ thuỷ lực trực tiếp với tầng thông nước) tại thời điểm t=0, ∆HR(0.t)alR - áp lực nước ở gốc toạ độ tại thời đểm t.
Phương trình (2) cho giá trị ∆HR(x,t)alR, thể hiện áp lực nước ở thời điểm "t" tại điểm "A"cách đầu nguồn nước (điểm gốc tính toán) khoảng cách "x" được thể hiện bởi công thức:
∆HR(x,t)alR= ∆HR(0)alR FR(x,t)R,
trong đó FR(x,t)Rđược xác định cho dòng nửa giới hạn theo công thức:
FR(x,t)R = erfc λ,
Hàm erfc λ được xác định thông qua giá trị λ:
λ =
t a 2
x
* .
Trong thực tế diễn biến lũ thường rất phức tạp, để thuận tiện trong tính toán có thể mô hình hoá theo dạng bậc thang:
∆HR(x,t)alR= Σ ∆HR(0)aliR . erfc λRi, R (4) λi, = *( )
ti
t a 2
x
−
Trong đó: t- thời điểm tính tương ứng với mực nước sông là ∆HR(0)alR, tRiR-thời điểm tính tương ứng với mực nước sông là ∆HR(0)aliR.
Từ công thức (4), có thể tính được giá trị của áp lực nước tác dụng lên đáy lớp đất phủ tại điểm bất kỳ của nền đê trong thời điêm bất kỳ của cơn lũ. Trên cơ sở lời giải của Sextakov, Viện khoa học thủy lợi đã lập chương trình “Thuỷ Động” để dự báo áp lực nước ở đáy lớp đất phủ và nghiên cứu diễn biến của chúng trong mùa lũ. Trong nhiều trường hợp, dù mực nước sông đã giảm nhưng sự lan truyền áp lực còn tiếp tục và áp lực dưới đáy lớp 1 vẫn tăng đáng kể. Trong nhiều trường hợp cách xa sông hàng trăm mét nhưng áp lực nước vẫn là khá lớn.
c. Thấm trong lớp đất phủ ở nền đê
Đối với bãi phía sông. Tại đây xẩy ra sự thấm xuyên theo 2 chiều:
+ Thấm từ trên xuống do áp lực của cột nước sông trên bãi. Phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm, trong bài toán thấm xuyên một chiều được thể hiện như sau:
(∂∆HRbsR/∂t)= aRbsR(∂P2P∆HRbsR/∂x2). (5)
trong đú: ∆HRbsR- chiều cao cột nước thấm xuyờn từ trờn xuống; aRbsR = T/à = (kRbsR.mRbsR)/àRbsR - hệ số dẫn mực nước của lớp đất phủ; kRbsR - hệ số thấm bóo hoà/khụng bão hoà phụ thuộc vào thời gian ngâm lũ ở bãi phía sông và hệ số thấm của đất;
mRbsR- bề dầy của lớp đất phủ; àRbsR- hệ số sức chứa trọng lực; bs -ký hiệu dựng cho bói sông.
+ Thấm xuyên có áp từ dưới lên do áp lực của tầng nước có áp (lớp đất 2).
Phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm trong trường hợp này được thể hiện như sau:
(∂∆Hbs2/∂t)= a*RbsR(∂P2P∆Hbs2/∂x2). (6)
trong đú: a*RbsR = T*/à* = (kRbsR.mRbsR)/à* - hệ số truyền ỏp lực nước; bs2- ký hiệu dùng cho dòng nước thấm từ dưới lên ở bãi phía sông. Vì HRbsR thường lớn hơn
∆HRbs2Rnên thấm xuyên từ trên xuống chiếm ưu thế.
Đối với bãi phía đồng.
+ Trong trường hợp không có thùng đấu thì trong lớp đất phủ xuất hiện dòng thấm xuyên có áp, không bão hoà từ dưới lên. Phương trình vi phân cơ bản của vận động nước dưới đất trong trường hợp dòng có áp, trong bài toán một chiều được thể hiện như sau:
(∂∆HRbđR/∂t)= a*RbđR(∂P2P∆Hbđ/∂x2). (7)
trong đú: a*RbđR = T*/à* = (k Rw(θ)bđR.mRbđR)/à*Rbđ R- hệ số dẫn ỏp; T*- độ dẫn ỏp, k
Rw(θ)bđR - hệ số thấm khụng bóo hoà; mRbđR- bề dầy của lớp đất phủ; à*RbđR- hệ số sức chứa đàn hồi; bđ- ký hiệu dùng cho bãi phía đồng.R
+ Trong trường hợp có ao, hồ chứa nước quanh năm thì trong lớp đất phủ xuất hiện dòng thấm xuyên có áp, bão hoà từ dưới lên và từ trên xuống. Vận động của dòng thấm từ dưới lên được xác định theo công thức (7) với hệ số thấm bão hoà kRtbđR. Vận động của dòng thấm từ trên xuống được xác định theo công thức:
(∂∆HRmđR/∂t)= a*RbdR(∂P2P∆HRmdR/∂x2). (8)
trong đó: mđ- ký hiệu dùng cho nguồn nước trên mặt đất. Vì HRmđ Rthường nhỏ hơn ∆Hbđ nên thấm xuyên từ dưới lên xuống chiếm ưu thế.
Lời giải của các phương trình (1), (2), (5), (6), (7) và (8) có thể tìm được bằng cách áp dụng lời giải của Sextakov tương tự như công thức (4).
2.1.1.1. Sự thẩm lậu ở mái đê phía đồng
- Hiện tượng : Là hiện tượng nước thấm qua thân đê từ mái thượng lưu về hạ lưu, phía hạ lưu có nước thoát ra (nước trong, nước đục)
Tại Thái Bình hiện tượng này khá phổ biến trên các tuyến đê, do đất đắp thân đê hầu hết là đất xấu và không đồng nhất. Các địa điểm xảy ra thẩm lậu lớn điển hình là các đoạn : Tả Hồng Hà II (K157 - K158), Vũ Thư (K165 - K172+800, K181+300 – K182), Hữu Trà Lý (K0 – K3+500), Tả Trà Lý (K6+600 – K8, K12+600 – K12+950), Hữu Luộc (K18+500-K19+500, K21+500-K22+500…), Hữu Hóa….
- Nguyên nhân phát sinh : + Thân đê không đủ độ dày + Đất thân đê có tính thấm lớn + Thân đê có lỗ rỗng
Sự cố thẩm lậu do dòng thấm vì đê là công trình được xây dựng kéo dài từ lâu đời, hầu hết đê được đắp thủ công, đất đắp đê là các loại đất tại chỗ không được chọn lọc. Như vậy trong thân đê đất hầu như không được đầm nén, các khe hổng giữa các thỏi đất tự khép kín trong quá trình chất tải. Tuy nhiên, trong quá trình tồn
tại, nhiều khe hổng không tự khép kín được, các ẩn họa lại không ngừng phát sinh, nên con đê có thể được coi như vật thể nứt nẻ và không đồng nhất.
Loại thẩm lậu này chiếm khoảng 25% tổng chiều dài đê. Bản thân các con số đó nói lên vấn đề gia cường đê chống thẩm lậu qua thân đê, bùng mái đê phía đồng, sạt trượt thân đê là một vấn đề lớn có tính cấp thiết, cần được quan tâm thích đáng trong công tác bảo vệ an toàn đê và phòng chống lũ bão.
- Biện pháp xử lý :
+ Làm rãnh tập trung nước, dẫn nước ra ngoài đê + Làm rãnh lọc trong trường hợp nước đục 2.1.1.2 Sự bục đất, mạch đùn, sủi
- Hiện tượng :
+ Nước đùn lên ở chân đê, đầm, ao, ruộng trũng…mạch sủi + Nhiều mạch sủi tạo thành bãi sủi
+ Mạch sủi lớn phát triển mạnh thành giếng phụt
Mất ổn định thấm trong nền đê thể hiện ở các dạng bục đất, mạch đùn, mạch sủi. Hiện tượng bục đất xẩy ra khi áp lực thuỷ động ở đáy lớp đất phủ đủ lớn để phá vỡ kết cấu đất của lớp đất phủ. Do sự phá vỡ kết cấu này trong lớp 1 xuất hiện các cửa sổ tạo điều kiện cho sự đùn đất cát từ lớp 2 lên mặt đất (thường được gọi là mạch đùn)và phun nước (ít mang theo cát) từ lớp 2 lên mặt đất (thường gọi là mạch sủi). Điều kiện ổn định thấm nền đê chính là điều kiện không để phát sinh các hiện tượng bục nền, mạch đùn, mạch sủi.
Các tuyến đê trên toàn tỉnh Thái Bình cũng phát sinh hiện tượng này khá phổ biến trong và sau mùa mưa lũ, đặc biệt tại Thái Bình do có nhiều ao, đầm ngay sát chân đê nên hiện tượng này xảy ra thường xuyên hàng năm. Điển hình tại các vị trí đê Hồng hà I (K133 - K135, K136 – K140, K143 – K145), Tả Trà Lý (K2 – K3, K5 – K9, K18 – K20), Hữu Trà Lý (K1 – K3, K4 – K6, K8 - K13), Hữu Luộc (K0 – K3, K5 – K7, K8 – K11, K20 – K25)…
- Nguyên nhân phát sinh : + Đất nền đê có tính thấm mạnh + Tầng phủ hạ lưu mỏng
Mạch đùn sủi được phát sinh do nguyên nhân lớp đất phủ chưa đủ lớn, khi áp lực thuỷ động ở đáy lớp đất phủ đủ lớn phá vỡ sinh ra bục đất tại đó xuất hiện
"cửa sổ" tạo điều kiện thuận lợi cho các thành phần hạt mịn của tầng thông nước đùn lên mặt đất, phát sinh mạch đùn. Do cấu trúc địa chất nền đê xấu không đồng nhất.
- Biện pháp xử lý:
Khi nước sủi yếu:
+ Đắp bờ bao quanh khu vực có mạch sủi, bãi sủi, làm giảm cột nước áp lực, giảm lưu tốc dòng chảy
Khi nước sủi mạnh:
+ Mạch sủi: Làm giếng lọc tại vị trí mạch sủi, bên trong làm lọc ngược theo thứ tự: cát thô, sỏi, đá dăm.
+ Bãi sủi: Dùng 2 lớp phên tre hoặc nứa, giữa ghép một lớp rơm dày 5 – 10cm, dùng tre cây nẹp chặt đặt phủ lên bãi sủi, sau đó rải một lớp vật liệu dễ thoát nước như đá dăm, gạch vỡ, bao tải cát.
Ngoài ra có thể xử lý bằng vải lọc địa kỹ thuật bằng cách đặt vải lọc phủ kín toàn bộ bãi sủi, xung quanh lớp vải lọc dùng bao tải đất đè giữ chặt vải lọc ép sát mặt đất.
2.1.2. Nước lũ tràn qua mặt đê.
- Hiện tượng: Nước tràn qua mặt đê sông hoặc đê biển trong mùa mưa lũ, gây ngập úng, ảnh hưởng tới canh tác và đời sống của nhân dân trong vùng đê bảo vệ.
- Nguyên nhân: Do đê có cao trình thấp, đê bị lún làm giảm cao trình đỉnh, những đoạn đê có đường giao thông nông thôn đi qua, hoặc do lũ cực hạn vượt quá